[发明专利]一种针对复杂几何结构件的蠕变-疲劳寿命设计方法

权利要求书

1.一种针对复杂几何结构件的蠕变-疲劳寿命设计方法，其特征在于，包括：

S1：建立结构件的三维实体模型，并根据循环对称理论及服役环境进行模型简化和边界条件的施加，得到ABAQUS有限元模型，并把结构件在各个时刻的温度施加到实体单元上形成温度场；

S2：根据高温蠕变、疲劳和蠕变疲劳试验结果，确定结构件的材料在不同温度下的半寿命的应力应变关系、杨氏模量、热膨胀系数、热传导率；

S3：对结构件赋予密度、施加转速以考虑结构件自身的离心力，根据结构件的实际工作中的载荷情况施加离心载荷；

S4：使用ABAQUS进行仿真，得到每个积分点的应力应变张量，从而得到结构件的应力应变云图，取图中的危险点分析其等效应力应变关系的滞回曲线；

S5：分别选取MGSA疲劳损伤模型，MSEDE蠕变损伤模型，并写入子程序UVARM中；

S6：将子程序UVARM代入ABAQUS中，与所述步骤S4中的每个积分点的应力应变张量结合，并对UVARM子程序进行程序调试，得到疲劳损伤云图、蠕变损伤云图和总损伤云图，进而得到结构件的寿命分布云图；

S7：通过改变结构件的保载阶段温度场及离心载荷，观察和分析各个保载阶段温度场及载荷情况下结构件的总损伤云图及寿命分布云图的变化，来寻求长寿命及高载荷的最优解，从而指导结构件设计。

2.根据权利要求1所述的针对复杂几何结构件的蠕变-疲劳寿命设计方法，其特征在于，所述结构件为航空涡轮盘、航空汽轮机、发电用汽轮机或航空高温叶片。

3.根据权利要求1所述的针对复杂几何结构件的蠕变-疲劳寿命设计方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

S11：建立所述结构件的三维实体模型并获取所述结构件在各个时刻的实体温度分布；

S12：根据循环对称理论，根据结构件的榫槽数量N把三维实体模型简化为对应于结构件的1/N的ABAQUS有限元模型，并在ABAQUS建立该ABAQUS有限元模型的圆柱坐标系，分别在结构件的子午面施加环向位移支撑；

S13：根据结构件在保载阶段稳定的温度分布和此时的载荷谱，设置温度边界条件，使用ABAQUS的热分析单元进行结构件的加速温度阶段温度场，保载阶段温度场及卸载停机时刻温度场的计算，同时改变飞机降落后的残余温度水平，以获得结构件的不同的卸载停机时刻温度场。

4.根据权利要求1所述的针对复杂几何结构件的蠕变-疲劳寿命设计方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括步骤：

S21：描述材料的循环塑性本构的主控方程，由此确定材料在不同温度下的半寿命时的应力应变关系，所述材料的循环塑性本构的主控方程包括：

以及Chaboche模型：

其中，为总应变分量，ε^e为弹性应变分量，ε^p为非弹性应变分量；E和v分别为杨氏模量和泊松比，s和trσ分别为应力张量和应力张量的迹，I表示二阶单位张量，为非弹性应变率张量，为累积非弹性应变率，s为应力张量，α为背应力张量，F表示屈服函数，Q₀为初始屈服应力；α_i为背应力分量；为塑性应变率；为累计塑性应变率，C_i为初始的随动硬化模量，γ_i为随着塑性变形的增大，初始的随动硬化模量C_i减小的速率;

S22：描述材料的蠕变本构模型，所述材料的蠕变本构模型为：

其中，为等效蠕变应变率，为等效蠕变应变，为等效偏应力，ψ、n和m为温度相关的模型参数;

S23：对结构件的材料进行高温蠕变、疲劳和蠕变疲劳的试验，结合实验结果来确定不同温度下材料的杨氏模量E、热膨胀系数αT、热传导率λ、蠕变本构模型的各个参数以及循环塑性本构的Chaboche模型的参数。

5.根据权利要求1所述的一种针对复杂几何结构件的蠕变-疲劳寿命设计方法，其特征在于，在所述步骤S3中，根据所述结构件的叶片质量及结构件的叶片与旋转轴的距离算出叶片的离心力的大小，把叶片的离心力以压力的方式等效地施加在结构件的叶片的接触面处，作为所述离心载荷。