在多轴应力下产生的高温蠕变寿命有限元分析方法研究.docx

在多轴应力下产生的高温蠕变寿命有限元分析方法研究　　为正确预测在多轴应力状态下高温部件蠕变寿命提供了理论依据，对于评估高温构件的安全性和经济性具有十分重要的应用价值。　　1 前言　　由于蠕变试验费时费力，而且不能体现设备运行的各种工况。因此,有限元数值模拟具有简单、快速、经济等特点，在工程中得到广泛的应用。ANSYS在模拟金属材料的蠕变时，对蠕变的第一阶段和第二阶段可获得令人满意的结果，而对蠕变的第三阶段模拟尚未有合适的模型。ANSYS用户编程特性(UPFs)，能满足用户的特殊需要，允许用户将自己的FORTRAN程序连接到ANSYS中，是ANSYS的非标准应用。本文运用ANSYS 5.7的二次开发功能，将含有损伤的蠕变模型写入ANSYS，模拟了单轴与多轴应力状态下P91钢的蠕变全过程，对高温金属蠕变进行研究，并对多轴应力状态下弯头发生蠕变变形进行分析，指出蠕变效应对弯头部位应力变化的影响，通过对骨点应力(Skeletal Point Stress)的分析，指出弯头部件蠕变损耗的变化情况。为正确预测在多轴应力状态下高温部件蠕变寿命提供了理论依据，对于评估高温构件的安全性和经济性具有十分重要的应用价值。　　2 蠕变方程　　经过大量实验研究表明，金属材料在蠕变过程中，会发生硬化和弱化现象，根据文献[1,2]，建构损伤-硬化蠕变模型，并假定材料的损伤是产生在蠕变的第三阶段。该蠕变模型由两部分构成：一是材料的硬化部分，二是材料的损伤部分。蠕变损伤-硬化模型形式如下：(1)　　式中， εc为蠕变应变;σ为应力;t为蠕变时间;tR为蠕变断裂时间; T为绝对温度;c1、c2、c3、c6为材料常数;c4、c5、tR为应力σ的函数。　　应用式(1)本构方程对文献[3]中P91钢的实验数据进行数值模拟验证。图1为单轴应力状态下的公式计算和模拟结果，图2 为多轴应力状态下的模拟结果。由单轴及多轴蠕变模拟结果可知，通过UPFs用损伤-硬化蠕变模型可以模拟多轴应力状态下蠕变全过程。图1 光滑试棒实验与ANSYS模拟结果图2 缺口试棒开口变化量实验与ANSYS模拟结果　　3 骨点(Skeletal Point)等效应力　　在多轴应力状态下，材料损伤与应力应变状态的关系非常复杂。一般认为，应力状态对损伤的累积主要有两个方面的影响，一是不同的应力对损伤率的贡献不同，损伤率应由等效应力(当量应力)确定，其次为多轴的约束作用影响了韧性，约束度越大则韧性越差[4]。因此，对于多轴应力状态下提出使用等效应力对材料的蠕变进行计算。　　假定等效应力采用下式形式(2) 　　其中，σeq-等效应力;σ1-第一主应力;σvon-Von Misses应力;v-材料常数，可以通过蠕变试验来确定，此处取0.072。　　图3、图4、图5是在名义应力分别为164.31MPa，191.69MPa，238.81MPa时，对文献[1] 中的缺口试棒的ANSYS数值模拟结果，图为缺口喉部等效应力沿半径的变化曲线。图3 不同时刻等效应力沿喉部半径的分布　　σnet=164.31MPa图4 不同时刻等效应力沿喉部半径的分布　　σnet=191.69MPa图5 不同时刻等效应力沿喉部半径的分布　　σnet=238.81MPa从图3、图4、图5可以看出，在喉部某一位置的应力值与时间无关，随着蠕变时间的增加，应力发生再分布，喉部断面上的应力趋近这一定值。可以认为，在蠕变过程中应力发生了再分布，喉部断面上各处的等效应力都趋于相等，这个应力即是所谓的骨点应力[5][6][7](Skeletal Point Stress)，用σea*表示。基于这一设想，可以用骨点等效应力来判断多轴应力状态下的蠕变断裂时间。　　单轴蠕变过程第一主应力和加载在轴向的应力相等，所以把骨点等效应力作为单轴加载应力，根据单轴状态下的蠕变数据就可确定多轴状态下蠕变断裂时间。模拟结果见表1。(模拟试棒的外径D=13mm，缺口圆弧半径为r)表1 单轴蠕变模拟多轴蠕变的结果比较试件结构σnet（MPa）σeq*（MPa）缺口试件的断裂时间（小时）用单轴模拟的断裂时间（小时）误差(%)d=6.0mmr=0.8mm164.3197.7339854185-4.779191.69112.8615601567-0.447238.8113517.226d=6.0mmr=1.2mm164.31102.722850（实验）2981-4.394191.69118.78977（实验）1104-11.504238.81146.59256（实验）264-3.030d=6.0mmr=1.5mm164.31107.41233021986.005191.69124.5988579711.041d=6.0mmr=1.8mm164.31112.9163815