[发明专利]一种引入残余应力的摩擦组焊增材件蠕变孕育期预测方法

说明书

本发明涉及一种引入残余应力的摩擦组焊增材件蠕变孕育期预测方法，建立二维高温合金线性摩擦焊模型；使用蠕变拉伸模型通过直接赋值法产生残余应力，并施加载荷进行蠕变实验。本发明通过MATLAB图像轮廓识别方法将应力云图转换成更加清晰应力等值图，通过对于MATLAB算子阈值的调整，使得应力分区圆滑，避免了部分分区划分复杂导致网格质量不佳对计算结果产生影响，使网格对计算结果的影响降到最低，为网格最优化设计提供了一种思路；本发明得到了一种较为准确计算线性摩擦焊接头蠕变行为的有限元模型，有效地预测了焊后残余应力对蠕变孕育期的影响，为焊接接头的蠕变行为的研究打下了基础。

技术领域

本发明属于固相焊接与蠕变数值模拟领域，是一种焊接与蠕变实验顺序结合的有限元模拟方法，涉及航空航天用高温合金线性摩擦焊过程宏观变形温度场和应力场演变及线性摩擦焊接头拉伸蠕变过程的研究。具体为一种通过直接赋值法引入残余应力的摩擦焊增材件蠕变孕育期预测的顺序模拟方法。

背景技术

线性摩擦焊是一种固相连接技术，具体为两个焊件作相对往复高频振动，依靠接触面摩擦产热，软化接触面金属，从而在顶锻力作用下完成固态连接。高温合金作为航空发动机涡轮、叶盘及燃烧室等部件的重要材料，具有优越的持久性能和疲劳性能。线性摩擦焊是高温合金整体叶盘成形的重要技术，具有焊前、焊后辅助清理工作较少，接头质量优于传统熔焊，材料利用率高等优点。线性摩擦焊接过程中存在非均匀塑性变形、温度场演变及金属相变，接头表面和内部会产生较大的残余应力，对焊接零部件的服役寿命造成重大不利的影响。

在高温环境下,金属结构蠕变断裂是其失效的主要形式之一。工程中，30％左右的锅炉和重型装备中的管道失效均是由蠕变断裂导致的。天津大学徐连勇等人(徐连勇,邬栋权,荆洪阳,韩永典,赵雷,吕小青.稳态蠕变条件下含残余应力的蠕变孕育期预测方法.CN108732032B)提出了一种稳态蠕变条件下含残余应力的蠕变孕育期预测方法，其设计方法能够将原有的预测模型扩展成含有残余应力的模型中，但对于不同模型无法进行扩展。本发明提出了一种可以将不同模型中的残余应力引入金属蠕变拉伸模型，可以更加准确完整研究模型的蠕变行为。

本发明将线性摩擦焊工艺的模拟和金属蠕变拉伸试样蠕变的模拟按照先后顺序结合，通过对金属蠕变拉伸试样进行分区处理和分区赋予残余应力，对线性摩擦焊接头的蠕变行为进行模拟，为研究残余应力对蠕变行为的影响提供了一种新的思路。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种引入残余应力的摩擦组焊增材件蠕变孕育期预测方法，首先进行高温合金线性摩擦焊的模拟，随后在其模拟结果的基础上进行金属蠕变拉伸试样蠕变过程的模拟，最终得到了一种较为准确计算线性摩擦焊接头蠕变行为的有限元模型，有效地预测了焊后残余应力对蠕变寿命的影响，为焊接接头的蠕变行为的研究打下了基础。

技术方案

一种引入残余应力的摩擦组焊增材件蠕变孕育期预测方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、确定高温合金线性摩擦焊焊件及金属蠕变拉伸试样的尺寸：

根据国标GB/T 2039-2012《金属材料.单轴拉伸蠕变试验方法》的要求确定金属蠕变拉伸试样的尺寸范围，并根据金属蠕变拉伸试样的尺寸确定线性摩擦焊焊件的尺寸，尺寸确定原则以焊接接头中切取完整的金属蠕变拉伸试样；

步骤2、建立高温合金线性摩擦焊模型：

在有限元模拟软件ABAQUS中建立高温合金线性摩擦焊几何模型，其中相互摩擦的两个焊件中的一个焊件以刚体代替，对可变形体按夹持区域进行分区处理，包括接触面近邻的变形区，中间区以及末端夹具夹持区域；