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基于ABAQUS的筒形缸热套环蠕变损伤累

积研究

赵仕志

1

（东方汽轮机有限公司，四川，德阳，618000）

摘要：近年来热套环筒形缸在大功率汽轮机中越来越广泛的使用，而随着机组参数的升高，热套环不可

避免的处于蠕变状态。合理确定热套环的初始紧力，检修周期以及保证运行的安全可靠性都必须考虑蠕变

效应。蠕变分析属于典型的材料非线性问题，ABAQUS是国际知名的非线性有限元分析软件，且包含丰富

的蠕变模型库，因此是分析筒形缸热套环的理想工具。本文基于线性损伤理论，结合时间-温度参数法（简

称L-M法）建立了应用ABAQUS软件分析热套环蠕变损伤计算的有限元方法和模型。对于理解热套环服

役期内的性能退化过程和指导工程设计有显著意义。

关键词：ABAQUS；汽轮机；热套环；蠕变损伤；损伤力学

0引言

发展超超临界汽轮机机组，能大幅度提高单机的发电效率，以满足经济发展、环境保护

及能源节约的多重需求。但随着进汽参数的不断提高，汽缸的几何尺寸相应增加，这样在机

组启动、停机和变工况时，导致汽缸法兰内外壁温差过大，从而产生很大的热应力，直接影

响机组的安全稳定运行[1]。热套环筒形缸结构是克服这些困难的一种可行方案，近年来得以

广泛使用。

对于高温区工作的热套环来说，蠕变是不可避免的。由于蠕变效应，热套环材料中的损

伤不断累积当损伤累积到一定程度就可能导致热套环破坏，所以热套环的蠕变寿命是影响机

组安全性的重要指标。从另一方面来说，热套环通常是加工精度要求极高的高温合金大锻件

制品，其母材，锻冶和机加成本都非常高昂。如不能准确的预测热套环剩余寿命而提前报废

将使汽轮机的运行和维护成本显著增加。因此，高温热套环的损伤累积研究和寿命评估有重

要的工程意义。蠕变分析属于典型的材料非线性问题，ABAQUS是国际知名的非线性有限

元分析软件，且包含丰富的蠕变模型库，因此是分析筒形缸热套环的理想工具。

1蠕变理论

根据实验数据，以应变为纵坐标，时间为横坐标可以做出材料的蠕变曲线，如图1所示。

典型的蠕变曲线分为三个阶段：

1赵仕志（1982-），男，工学硕士，工程师，西安交通大学固体力学专业，现从事汽轮机，燃气轮机的结构、强度和振动设计工作。

第一阶段——图中AB段，蠕变速率不断降低，材料发生硬化，称为不稳定蠕变阶段（或

过渡蠕变阶段）。

第二阶段——BC段，即直线段，蠕变速率达到最小值，通常这个阶段持续时间比较长，

是设计人员最感兴趣的，因此也是研究最早的一段，称为稳定蠕变阶段（又称稳态蠕变阶段）。

第三阶段——CD段，蠕变速率迅速上升，蠕变变形迅速发展，直到材料破坏，故又称

破坏阶段。

图1典型的蠕变曲线

工程上常用以下几种理论模型来描述材料的蠕变行为：

（1）陈化理论（Norton定律）

最常用于描述材料蠕变过程的理论是陈化理论，又称为Norton定律。其认为在温度恒

定时，蠕变应变

?是应力?和时间t的函数。其表达式为：

c

???nm(1)

cAt

其中A、n、m为与温度相关的材料常数，由蠕变实验确定[2]。

（2）时间硬化理论

当?为常数时，式(1)对时间求导可得蠕变应变率和时间的关系：

???nm?1(2)

cAmt

上式表明蠕变应变率降低的主要原因是时间，而与应变无关。这就是描述蠕变行为的时间硬

化理论。

（3）应变硬化理论

式(2)的推导过程中对时间求导时将?作为常数来考虑的，因此式(2)理论上仅适用于应

力恒定的情况。当?随时间变化时应该采用应变强化理论。其表达式为[2,3]：

?????m(3)

?cc

理论上可以导出，当?=常数时式(3)与式(2)等价[3]。

（4）恒速理论

在传统工程设计中认为部件在高温下长期服役，蠕变变形以蠕变第二阶段为主，且应力

的变化随时间是一个缓慢的过程。因此工程实际中通常采用时间硬化模型进行分析[3-7]。由

于蠕变变形大部分时间处于蠕变速率恒定的第二阶段，所以可以更进一步的假设m?1?0，

将式(2)进一步简化为与时间无关的如下形式：

?c?B?(4)

v

该模型称为恒速理论。式中B,v是材料常数。该模型形式非常简单，无论理论或数值分析计

算效率都很高，计算精度可接受。因此长期以来工程应用广泛。

2Abaqus的蠕变模型

Abaqus提供了上述常用模型在内的多种蠕变模型，其中最为常用的是时间硬化模型和

应变硬化模型。各种模型的具体介绍可参考本人2017年会议论文[8]，在此不再赘述。蠕变

的损伤累积模型需要用户自行开发。

3热套环的蠕变损伤累积模型

热套环主要的载荷是由装配过盈量引起的装配应力。由于蠕变效应，热