[发明专利]一种描述蠕变变形的方法

说明书

一.技术领域

本发明提供一种能完整描述3个阶段蠕变变形的模型及将其应用于实际结构的蠕变计算的方法，属于高温结构蠕变模拟技术领域。

二.背景技术

蠕变是指在温度、载荷不变的条件下，材料的变形也会随时间增长而逐渐增大的现象，而且这种变形即使在应力小于屈服极限时仍具有不可逆的变形性质。典型的蠕变变形可以分为3个阶段：第1阶段由于变形引起加工硬化导致蠕变速率随时间不断降低，称为初始蠕变阶段；第2阶段为直线，这是由于加工硬化与回复软化过程达到动态平衡而导致蠕变速率保持不变，即为稳态蠕变阶段；第3阶段蠕变速率随时间增大直至断裂，称为加速蠕变阶段。

当前工程中常用的蠕变模型有时间硬化模型和应变硬化模型等，但这类模型只能模拟蠕变第1阶段或者前两个阶段(有限元软件ANSYS和ABAQUS提供的蠕变模型均不能模拟蠕变第3阶段)；1985年Evans和Wilshire在其著作中提出一种能模拟完整的蠕变变形的模型—θ投射法，虽然θ投射法可以模拟蠕变变形的3个阶段，但它并不注重描述稳态蠕变阶段，即它所描述的整个蠕变变形中，并不存在蠕变速率为常数的阶段；一些粘塑性本构模型虽能较好地描述循环载荷下的塑形变形，而在描述蠕变第3阶段方面必须引入损伤参量对模型进行修正。这些模型用于试样在试验载荷下变形的描述较精准，但由于计算较为复杂，目前还不易用于实际结构(如涡轮叶片和轮盘)的蠕变分析。

因此，仍有必要发展能够完整描述蠕变曲线的3个阶段的方法，同时能与有限元结合用于实际结构的蠕变变形计算及应力松弛问题的分析。

三.发明内容

1.发明目的

本发明提供一种能完整描述3个阶段蠕变变形的模型及将其应用于实际结构的蠕变计算的方法，达到能计算实际结构3个阶段的蠕变变形和模拟应力松弛行为的目的，解决现有技术的不足。

2.技术方案

本发明提供一种描述蠕变变形的方法，它能完整描述3个阶段(第1阶段由于变形引起加工硬化导致蠕变速率随时间不断降低，称为初始蠕变阶段；第2阶段蠕变速率不随时间变化，即稳态蠕变阶段；第3阶段蠕变速率随时间增大直至断裂，称为加速蠕变阶段)蠕变变形的方法，同时通过将该方法与有限元软件ANSYS结合，编写usercreep子程序，用于实际结构的蠕变变形计算。同时提出3种适用于变载情况的模型，用于计算应力松弛行为。本发明用归一化参数描述蠕变变形，将蠕变应变表示为：ε_c＝η₁ζ^η4+η₂ζ+η₃ζ^η5或分别称之为表达式1和表达式2，其中3项分别表示蠕变的3个阶段。表达式中各参数含义如下：ζ＝t/t_c为无量纲时间，t_c为给定温度和应力下的持久寿命，则ζ∈[0,1]；η_i(i＝1,2,3,4,5)为材料参数，η₁，η₂，η₃，分别为蠕变3个阶段的蠕变量，η₄，η₅分别控制蠕变第1阶段和第3阶段的变化快慢，且η₅>1。

本发明一种描述蠕变变形的方法，它是一种能完整描述3个阶段蠕变变形的方法，其具体步骤如下：

步骤一：将试验得到的不同温度和应力下的蠕变曲线归一化；

用试验得到的不同温度和应力下的蠕变曲线的时间坐标除以该温度和应力下的持久断裂时间，则所有曲线的横坐标均为归一化时间坐标ζ＝t/t_c，ζ∈[0,1]；

步骤二：对曲线的第2阶段进行拟合，得到η₁，η₂，η₃；

对每条曲线第2阶段进行拟合，若曲线第2阶段较为明显，则得到直线方程y＝kx+b，否则，根据最小蠕变率点得到直线方程；得到的一组k值则为不同应力和温度下的一组η₂值，即归一化坐标下的稳态蠕变应变率或最小蠕变率；拟合直线中的b值即η₁，继而可得到η₃＝ε_r-η₁-η₂，ε_r为断裂时的蠕变应变；

步骤三：拟合得到η₄，η₅；