[发明专利]一种滞回能密度预测材料蠕变疲劳交互寿命的方法

说明书

本发明提供一种滞回能密度预测材料蠕变疲劳交互寿命的方法，涉及材料的高温寿命预测领域。该方法包括以下步骤：步骤S1材料高温疲劳试验，确定循环硬化指数以及疲劳滞回能密度；步骤S2材料高温蠕变疲劳交互试验，确定蠕变疲劳交互滞回能密度计算需要的参量；步骤S3根据本发明提出的滞回能密度计算方法，计算得出不同保载时间的蠕变疲劳交互试验的滞回能密度；步骤S4拟合滞回能密度与蠕变疲劳交互寿命间的幂率关系；步骤S5通过配置有限元计算结合本发明拟合的公式，获得蠕变疲劳交互的计算寿命。本发明有明确的理论依据、清晰的物理意义，能使用滞回能密度精确的预测材料在高温蠕变疲劳交互下的寿命。

技术领域

本发明涉及材料的高温寿命预测领域，尤其涉及一种滞回能密度预测材料蠕变疲劳交互寿命的方法。

背景技术

随着现代工业向高温、高压、高速等高参数方向发展，在石油化工、核能电力、航空航天等领域越来越多的设备，例如高温承压设备、冶金机械、燃气轮机等，长期在高温、高压以及交变载荷等复杂工况下运行，此类设备的服役往往受疲劳、蠕变和腐蚀等多种因素的制约。尤其是化工行业的高温承压设备，如焦炭塔、乙烯裂解炉炉管、加氢反应器等，不仅承受设备本身工作的应力，而且承受高温致使的蠕变损伤与调峰、运停以及温度波动等致使的疲劳损伤，蠕变疲劳交互作用是此类设备失效的重要因素。

目前蠕变疲劳交互作用寿命预测方法多是基于损伤评估，根据损伤交互图确定交互寿命，例如线性累积损伤法、连续损伤力学法等，其中时间数分法和延性耗竭法被广泛的应用于工程，已经被ASME、R5等规范收录。由经验得出的交互图显然是种假设，理论依据不强，且此类规范包含较大的安全系数，偏于保守，远低于最优化的设计准则，可能会导致过度设计或者不可实现设计。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提供一种理论依据强且寿命预测准确的滞回能密度预测材料蠕变疲劳交互寿命的方法。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种滞回能密度预测材料蠕变疲劳交互寿命的方法，包括以下步骤：

步骤S1：材料控制不同应变幅的纯疲劳试验，得出稳态磁滞回线，获得应力幅与塑性应变幅，进而确定循环硬化指数以及纯疲劳滞回能密度；

步骤S2：材料控制同一应变幅保载不同时间的蠕变疲劳交互试验，得出应力应变曲线，确定蠕变疲劳交互滞回能密度计算需要的参量；

步骤S3：由步骤S2确定的参量，计算得出不同保载时间的蠕变疲劳交互试验的滞回能密度；计算方法如下：蠕变疲劳交互半寿命周期稳定磁滞回线的面积视为纯疲劳磁滞回线面积减松弛应力所在三角形面积，将三角形视为直角三角形，再结合纯疲劳滞回能计算公式，即得出蠕变疲劳交互半寿命周期稳定的滞回能密度；

步骤S4：根据步骤S1及步骤S3计算得出的滞回能密度，拟合滞回能密度与纯疲劳和蠕变疲劳交互寿命间的幂率关系；

步骤S5：通过有限元分析软件获得步骤S2参量，结合步骤S3提出的滞回能密度计算方法及步骤S4拟合所得的幂率关系，获得蠕变疲劳交互的计算寿命。

优选的，步骤S1具体过程如下：

在同一坐标系中将不同应变幅的稳态磁滞回线的应力幅Δσ和应变幅Δε_t连线后得到循环曲线Δσ-Δε_t，应变幅与应力幅之间的关系遵循Ramberg–Osgood方程为：

式中，Δε_e、Δε_p分别为弹性应变幅和塑性应变幅，E为弹性模量，K′为循环硬化系数，n′为循环硬化指数；应力幅与塑性应变幅间的幂率关系为：

Δσ＝K′Δε_p^n′ (2)