一种基于工程损伤力学的材料蠕变疲劳寿命预测方法

本发明属于高温复杂载荷下的材料寿命预测领域，特别是涉及一种基于工程损伤力学的材料蠕变疲劳寿命预测方法。

背景技术：

1、在燃气轮机与航空发动机领域，涡轮叶片、涡轮盘等热端部件工作在高温、高转速的严酷环境下。在高转速引起的离心力、温度梯度产生的热应力及相关零件非协调变形的附加应力等典型载荷的作用下，涡轮叶片和涡轮盘的损伤包括与起落和机动飞行相关的低周疲劳损伤，也包括与工作时间相关的蠕变损伤。低周疲劳与蠕变两种损伤在涡轮叶片及涡轮盘的工作条件下会存在相互影响，在蠕变疲劳间交互作用下损伤累积速度加快，会对航空发动机的使用寿命产生很大的影。目前实验室通常采用应变控制的蠕变疲劳试验与应力应变混合控制蠕变疲劳试验。这两中加载波形中的保载方式分别采用恒应变保载与恒应力保载。应变控制的蠕变疲劳模拟高温下的紧固件的运行工况，而应力应变混合控制的蠕变疲劳试验更适用于模拟涡轮叶片、涡轮盘这种稳定工作状态受恒应力的高温部件。

2、在应变控制的蠕变疲劳试验中，保载期间存在应力松弛，传统的损伤力学模型对预测应变保载阶段的蠕变损伤时计算复杂，预测结果也不够准确，所以有必要开发一种同时适用于以上两种加载波形的损伤力学寿命预测方法，以满足复杂载荷下的蠕变疲劳寿命预测。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于工程损伤力学的材料蠕变疲劳寿命预测方法，以解决上述现有技术存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于工程损伤力学的材料蠕变疲劳寿命预测方法，包括以下步骤

3、步骤s1，取相同材料的若干试样，在同一温度下对部分试样进行同应变速率不同应变幅值的应变控制疲劳试验，获取疲劳试验数据，转入步骤s2；在与应变控制疲劳试验相同的温度下对部分试样开展不同应力的蠕变试验，获取蠕变试验数据，转入步骤s3；

4、步骤s2，根据疲劳试验数据，确定任意应变幅值下疲劳试验的循环寿命，选取每周次的循环应力范围作为损伤参量确定疲劳损伤演化参数，依据lemaitre连续损伤力学理论，建立疲劳损伤累积模型后可以计算疲劳寿命，转入步骤s4；

5、步骤s3，根据蠕变试验数据，获得稳态蠕变速率与蠕变应力建立norton方程。同时，以蠕变应变速率作为损伤参量确定蠕变损伤演化参数，依据lemaitre连续损伤力学理论，建立蠕变损伤累积模型后可以计算蠕变寿命，转入步骤s4；

6、步骤s4，通过步骤s2和步骤s3中的疲劳试验和蠕变试验，并依据损伤力学理论建立蠕变疲劳损伤演化方程，转入步骤s5；

7、步骤s5，在同一温度及同一应变速率下，开展多组应变控制蠕变疲劳试验以及应力应变混合控制蠕变疲劳试验，获得蠕变疲劳试验的半寿命周次，这些数据将用于验证本发明的准确性，转入步骤s6；

8、步骤s6，由于应变控制蠕变疲劳和应力应变混合控制蠕变疲劳两种加载方式在保载阶段的保载方式不同，要针对这两种加载方式分别确定保载过程中的等效蠕变应力。

9、对于应变控控制的蠕变疲劳试验，以蠕变疲劳试验的半寿命周次为特征周次，通过半寿命周次保载期间的应力-时间关系计算应力松弛期间的蠕变速率，通过蠕变速率变化规律找出应力松弛过程中的稳态蠕变速率，使用步骤s3中建立的norton方程计算得到此稳态应变速率下的蠕变应力，即为应变保载过程中的等效应力，转入步骤s7；

10、对于应力应变混合控制蠕变疲劳试验，以疲劳试验所获得的相同应变幅值下半寿命周次的非弹性应变幅值作为确定每周疲劳损伤的关键参量，蠕变疲劳试验中的保载应力与保载时间作为确定每周蠕变损伤的关键参量，转入步骤s7；

11、步骤s7，利用步骤s4中建立的蠕变疲劳损伤演化方程，计算得到损伤为1时候的循环周次即为预测的蠕变疲劳寿命。

12、本发明的技术效果为：

13、本发明所述的基于工程损伤力学的材料蠕变疲劳寿命预测方法，基于lemaitre连续损伤力学理论，在分别通过疲劳试验和蠕变试验确定损伤相关参数后，建立蠕变疲劳损伤演化模型描述材料在蠕变疲劳交互作用下的损伤演化过程，从而进行蠕变疲劳寿命预测。本发明在此基础上，考虑不同加载波形下的蠕变变形的特点，提出了适用于应变控制蠕变疲劳载荷的蠕变等效应力的确定方法。基于该发明提出的方法，精确地计算了应变保载过程中的蠕变损伤，进而使得本发明中的蠕变疲劳损伤力学模型可以同时适用于不同材料在应变控制蠕变疲劳和应力应变混合控制蠕变疲劳载荷下的寿命预测。

14、本发明操作简单，计算方便，适用性广，拓宽了基于损伤力学的寿命预测方法的使用范围，能够准确预测不同材料在应变控以及应力应变混合控蠕变疲劳载荷下的循环寿命。

技术特征：

1.一种基于工程损伤力学的材料蠕变疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于工程损伤力学的材料蠕变疲劳寿命预测方法，其特征在于，得到疲劳损伤演化参数之后还包括：

3.根据权利要求1所述的基于工程损伤力学的材料蠕变疲劳寿命预测方法，其特征在于，得到蠕变损伤演化参数之后还包括：

4.根据权利要求1所述的基于工程损伤力学的材料蠕变疲劳寿命预测方法，其特征在于，构建蠕变疲劳损伤演化方程的过程包括：

5.根据权利要求1所述的基于工程损伤力学的材料蠕变疲劳寿命预测方法，其特征在于，分别确定保载过程中的等效蠕变应力的过程包括：

6.根据权利要求5所述的基于工程损伤力学的材料蠕变疲劳寿命预测方法，其特征在于，计算得到蠕变应力的过程包括：

7.根据权利要求1所述的基于工程损伤力学的材料蠕变疲劳寿命预测方法，其特征在于，得到蠕变疲劳寿命的过程包括：

技术总结
本发明公开了一种基于工程损伤力学的材料蠕变疲劳寿命预测方法，本发明属于高温复杂载荷下的材料寿命预测领域，包括：在同一温度下开展多组不同的应变控纯疲劳试验以及蠕变试验，分别确定材料的疲劳损伤和蠕变损伤参数，进而建立蠕变疲劳损伤累积模型。在相同温度下的应变控以及应力应变混合控蠕变疲劳试验中，针对不同的载荷形式确定蠕变等效应力。之后，根据蠕变疲劳损伤累积模型对纯疲劳试验和蠕变疲劳试验进行寿命预测。本发明操作简单，计算方便，能够准确预测不同材料在应变控制低周疲劳、应力控制的低周疲劳、应变控蠕变疲劳和应力应变混合控蠕变疲劳等多种载荷下的循环寿命。

技术研发人员：王小威,康子童,张天宇,张显程,姜勇,巩建鸣,涂善东
受保护的技术使用者：南京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11