[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

说明书

本发明提供一种针对复杂几何结构件的蠕变‑疲劳寿命设计方法，包括：建立涡轮盘三维实体模型和温度场；确定涡轮盘的材料的本构模型及材料参数；考虑涡轮盘自身的离心力，根据结构件的实际工作中的载荷情况施加离心载荷；分别选取疲劳损伤模型、蠕变损伤模型，并写入子程序UVARM中；将子程序代入，得到总损伤云图，进而得到涡轮盘的寿命分布云图；通过改变涡轮盘的保载阶段温度场及离心载荷，寻求长寿命及高载荷的最优解。本发明的寿命设计方法，模拟中考虑了结构件的温度分布、疲劳损伤及蠕变损伤，可以预测不同服役温度和载荷历史下负载结构件的寿命，具有直观、适用范围广、精确度高的优点。

技术领域

本发明涉及一种针对复杂几何结构件的蠕变-疲劳寿命设计方法，属于材料力学性能有限元数值计算领域。

背景技术

随着我国航空航天领域的快速发展，我们对材料的综合性能有了更高的需求。工业和信息化部于2012年颁布的《高端装备制造业“十二五”发展规划》和国家制造强国建设战略咨询委员会于2015年颁布的《中国制造2025重点领域技术路线图》均将航空航天装备列为现阶段高端装备制造业发展的重点方向。其中，航空发动机作为“心脏”对航空航天装备研制的进度和成败具有决定性的影响，对我国国防建设、航空运输以及国民经济有重要的贡献，对建设以发展大型飞机发动机为标志的创新型国家有重要的意义。但是，真正实现这一宏伟目标，需要攻克与总体设计、结构材料、制造技术等相关的十大关键技术，而涡轮盘等高温部件的“长寿命高可靠性结构设计技术”是其中十大关键技术瓶颈之一。

近些年，有限元软件的发展可以很好地满足人们对于复杂应力应变行为的理解以及极端工作环境(高温、高压)的数值实现。ABAQUS有限元商业软件不仅可以分析复杂的固定力学和结构力学系统，还可以通过强大的二次开发接口补充ABAQUS前后处理模块中不完善的功能。基于FORTRAN语言的用户自定义的子程序扩展了ABAQUS在本构方程的应用，并实现了损伤评估、力学性能预测等方面的功能。现有的基于ABAQUS的涡轮盘蠕变-疲劳寿命预测有限元模拟方法的缺点在于，其往往采用恒温温度场，不能反映真实的服役温度场，而且一般只考虑疲劳损伤，对蠕变损伤忽略不计，与试验下超过一定温度后，存在明显的蠕变损伤的客观情况不符。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针对复杂几何结构件的蠕变-疲劳寿命设计方法，以实现可视化处理操作，提高结构件的寿命预测的精度和适用性。

为了实现上述目的，本发明提供一种针对复杂几何结构件的蠕变-疲劳寿命设计方法，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。

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。