[发明专利]一种基于晶体塑性的蠕变疲劳寿命预测方法

说明书

本发明提供一种基于晶体塑性理论的蠕变疲劳寿命预测方法，包括：基于电子背散射衍射技术建立ABAQUS的代表性单元模型；将背应力模型修正并写入子程序UMAT，以得到蠕变疲劳迟滞回线；通过试参法拟合蠕变疲劳迟滞回线，来获取材料参数；计算每个积分点的应力应变值并将其平均化，获取蠕变疲劳迟滞回线和后处理云图；从中提取最大的塑性滑移和能量耗散，分析它们随循环周次的变化规律，提出蠕变和疲劳指示因子；根据指示因子预测蠕变疲劳裂纹萌生寿命。本发明的蠕变疲劳寿命预测方法利用塑性滑移和能量耗散作为疲劳和蠕变指示因子，能更好地反映蠕变疲劳损伤演化规律，准确预测裂纹萌生位置，具有直观、适用性强、精确度高的优点。

技术领域

本发明涉及蠕变疲劳的寿命预测领域，尤其涉及一种基于晶体塑性理论的蠕变疲劳寿命预测方法。

背景技术

现代航空发动机、工业燃气机、超临界发电机等装置的工作环境日趋复杂，其中的关键限寿部件除了承受装置稳态运行的恒定荷载之外，通常还承受装置起停和温度波动等引起的交变载荷的作用，其服役过程伴随着严重的蠕变疲劳载荷交互作用，降低了这些关键限寿部件的服役寿命。因此，为了保证关键限寿部件的安全性和可靠性，构建准确的蠕变疲劳寿命预测模型是非常重要的。

为了准确地评估高温结构在蠕变疲劳载荷下的耐久性问题，自20世纪50年代以来，国内外学者已先后提出了几十种蠕变疲劳寿命预测模型。近些年，有限元软件的发展为了更好地理解复杂工况下的应力应变行为以及实现该工况下的寿命预测。ABAQUS软件允许用户通过二次开发接口补充ABAQUS蠕变前后处理模块中无法实现的功能。其中，基于FORTRAN语言的材料用户自定义的子程序UMAT扩展了ABAQUS在本构方程方面上的应用。用户可以基于UMAT根据自己的材料以及需求，来编译所需的本构模型并通过ABAQUS软件实现模拟。

现今针对蠕变疲劳分析及寿命预测的主要能够描述包含裂纹萌生和扩展阶段的连续损伤力学理论，其通过损伤变量引入统一粘塑性理论的方式描述材料在循环载荷下损伤累积直至断裂的过程。这类方法侧重于宏观层面的类构件或者构件的损伤分析，无法描述微观层面的应力应变响应以及损伤机理演化。由于蠕变疲劳裂纹萌生通常是在微观层面上，使用这类方法很好精确地判定裂纹萌生以及揭示损伤机理。因此，如何有效地评估裂纹萌生寿命以及分析蠕变疲劳损伤机理，对关键限寿部件是非常重要的。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于晶体塑性的蠕变疲劳寿命预测方法，能够更好地实现蠕变疲劳损伤分析以及蠕变疲劳剩余寿命预测，具有直观、适用性强、精确度高的优点。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于晶体塑性的蠕变疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立基于材料的电子背散射衍射信息的ABAQUS的代表性单元模型；

S2：将背应力模型修正为含有静态回复项的背应力模型并写入晶体塑性本构方程，该晶体塑性本构方程通过用户自定义的子程序UMAT定义，将该晶体塑性本构方程用于对所述S1中的ABAQUS代表性单元模型进行有限元计算，以此模拟得到所述材料在给定载荷条件下的蠕变疲劳迟滞回线；

S3：通过试参法拟合蠕变疲劳迟滞回线，来获取所述晶体塑性本构方程的材料参数；

S4：通过ABAQUS软件计算每个积分点的应力应变值，并将应力应变值平均化，获取材料的蠕变疲劳迟滞回线和后处理云图；

S5：从后处理云图中提取最大的塑性滑移和能量耗散，将这两个参数视为材料在循环加载过程中损伤驱动力，分析它们随着循环周次的变化规律，从而提出一种蠕变指示因子和疲劳指示因子；

S6：结合所述S5的蠕变指示因子和疲劳指示因子和线性累积损伤准则其中，和分别表示第j周次的蠕变损伤和疲劳损伤，预测不同保载时间下的蠕变疲劳裂纹萌生寿命。

进一步地，所述S1包括：