[发明专利]塑性条件下耦合残余应力和拘束效应的蠕变孕育期预测方法

摘要

本发明公开了一种塑性条件下耦合残余应力和拘束效应的蠕变孕育期预测方法，在Davies工作的基础上，提出了耦合残余应力和拘束效应的蠕变孕育期预测模型。利用韧性耗散损伤模型，引入了与载荷无关拘束参量Q*计算考虑拘束效应的蠕变孕育期。使用紧凑拉伸试样(CT)施加主载荷进行蠕变模拟实验，本发明的有益效果：能够在结构中简洁有效的预测出塑性条件下蠕变孕育期。

主权项

1.塑性条件下耦合残余应力和拘束效应的蠕变孕育期预测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：建立预测模型，所述预测模型包括CT试样本体，CT试样本体的中部前端设有槽，槽的后部设有缺口，槽、缺口在同一平面上，CT试样本体上还设有上主载荷销孔、下主载荷销孔，上主载荷销孔、下主载荷销孔上下对称设置，分别设置在槽的上下两端，S2：首先利用上圆销、下圆销对CT试样本体的上下两端进行预定大小的压缩加载，然后释放上圆销、下圆销，会在CT试样本体的缺口附近产生残余应力分布；S3：在含有残余应力的缺口处插入预制裂纹，以进行蠕变试验；S4：利用销子在上主载荷销孔、下主载荷销孔施加主载荷，进行高温蠕变试验；S5：通过蠕变有限元模拟可以获得计算含残余应力、拘束参量CT试样孕育期所需要的必要参数，在塑性条件下，计算孕育期主要包括以下步骤：(1)首先计算复合加载下的应力强度因子，其计算公式为：(Ⅰ)中：其中：是模拟计算的只含有残余应力下的应力强度因子，单位为MPa·(m^1/2)；是主载荷应力强度因子，单位为MPa·(m^1/2)；P是主载荷，单位为N；B是试样厚度，单位为mm，B_n是试样净厚度，单位为mm；a/W是预制裂纹长度比率，a是预制裂纹长度，采用上主载荷销孔圆心到预制裂纹后端的水平直线距离，单位为mm；W是名义试样宽度，采用上主载荷销孔圆心到CT试样本体后端的水平直线距离，单位为mm；f(a/W)是CT试样几何系数，只与a/W有关；V是无量纲的塑性相关项，计算如下：(Ⅱ)中:V₀是无量纲参量，其中：是塑性残余应力强度因子，单位为MPa·(m^1/2)；是弹性残余应力强度因子，单位为MPa·(m^1/2)，利用J_S计算，J_S是残余应力场下断裂参量，单位为MPa·m；其中：E′是有效弹性模量：E'＝E/(1‑ν²)，E是弹性模量，ν是泊松比，和J_S都利用有限元模拟结果提取；(Ⅱ)中:L_r是无量纲参量，描述主载荷幅度：其中：σ_y是屈服强度，与材料属性有关，单位为MPa；σ_ref^P是主载荷参考应力，单位为MPa，用下式计算：其中：n_L为无量纲裂纹深宽比参数，通过下式计算:常数(Ⅱ)中:是弹性主载荷应力强度因子，是塑性主载荷应力强度因子，单位为MPa·(m^1/2)；利用有限元模拟结果计算：(Ⅱ)中:β描述残余应力的幅度，是无量纲参量；是二次载荷参考应力，利用有限元模拟计算，(Ⅱ)中:Z为无量纲的弹性追随因子，从有限元模拟结果中提取出应力应变关系，取等效蠕变应变增量与等效弹性应变增量的比值：(2)计算塑性复合应力场下J积分数值，其计算公式为：其中：K_I是复合应力强度因子，E′是有效弹性模量：E'＝E/(1‑ν²)，ν是泊松比，E是弹性模量，ν是泊松比；(3)然后计算塑性条件下的拘束参量Q*_HRR，其计算公式为：是利用有限元计算得出的裂纹前沿处的张开应力值，单位是Mpa，σ_P0是标准化应力，单位为MPa，ε_P0是标准化应变，单位为1，α为应变硬化系数，N为应变硬化指数，I_N是与N有关的无量纲函数，L是标量距离，取1mm；(Ⅲ)中：σ₂₂是利用HRR应力场计算得出的裂纹前沿的张开应力值，单位是MPa，其中：r是裂纹后部尖端到裂纹前沿研究点的间距，单位是mm，θ是裂纹尖端角度，是与θ和N有关的无量纲函数，(4)计算等效应力单位是MPa，其计算公式为：其中：是与θ和N有关的无量纲函数；(5)然后计算塑性应力场下孕育期时间t_i^HRR，其计算公式为：(Ⅴ)中：n是无量纲的蠕变应力硬化指数，ε_crit是单轴蠕变韧性，与材料属性有关，单位为1，是蠕变应变变化率，单位为h^‑1，与材料高温蠕变属性有关，(Ⅴ)中：MSF_HRR为塑性条件下多轴应力因子，根据Cocks and Ashby关系式计算：sinh是双曲正弦函数，h_HRR为塑性应力三轴度，在塑性应力状态下：其中平均应力单位是MPa，其计算公式为：其中：σ₁₁,σ₂₂和σ₃₃是利用HRR应力场计算得出的裂纹前沿的应力值，单位是MPa，其中：是与θ和N有关的无量纲函数。