基于能量密度耗散准则的蠕变—疲劳寿命预测模型及应用

发布时间：2020-03-24 15:27

【摘要】：以航空发动机涡轮盘为代表的关键热端部件除了承受装置稳态运行的恒定荷载之外,通常还承受装置起停引起的交变载荷的作用,其服役过程伴随着严重的蠕变-疲劳载荷交互作用,这对部件寿命设计与预测方法提出了新的挑战。然而我国对高温热端部件蠕变-疲劳性能预测的研究起步较晚,尚未构建相对完整的材料体系、理论体系和技术体系,对结构强度与可靠性的预先研究没有更为清晰的认识。围绕这一问题,本文从材料行为、寿命模型和结构应用等三个层次对研究内容展开论述。本文通过大量试验探究了镍基高温合金GH4169在650 ℃下的蠕变-疲劳宏观力学行为,利用先进的微观表征手段揭示了不同加载类型下的蠕变-疲劳损伤机理;发展了基于应变能密度耗散准则的寿命预测方法,完善了复杂载荷工况下考虑高温氧化效应的寿命理论;基于有限元分析方法开发了多轴应力状态下蠕变-疲劳寿命预测的数值实现方法,借助某型航空发动机涡轮盘对所提出的寿命理论对结构进行了进一步的拓展应用。论文主要研究工作与结论如下:(1)对镍基高温合金GH4169在650 ℃下展开了一系列高温拉伸、高温蠕变、高温疲劳及蠕变-疲劳的试验,形成了较为完善的国产镍基合金数据库。试验结果表明,该合金具备高强度、低延性的高温拉伸力学性能,很强的抗蠕变变形的特点以及相比Inconel 718更优异的蠕变-疲劳抗性。此外,在对GH4169合金蠕变-疲劳寿命模型的论证中引入了同时兼顾模型复杂度与预测精度的贝叶斯信息判据(Bayesian Information Criterion,BIC)准则,结果显示基于能量法的频率修正-损伤函数模型以及应变能区分法的综合预测能力最强。(2)对径向锻造的镍基高温合金GH4169在650 ℃下展开了不同取样位置的微观组织观察试验、宏观蠕变-疲劳试验和断后失效分析试验。结果显示,径向锻造盘件从芯部至边缘存在明显的微观组织不均匀性,其中∑3特殊晶界的含量是影响蠕变-疲劳性能的主要微观因素。内层取样位置∑3特殊晶界的长度分数最高,相同载荷工况下其蠕变-疲劳寿命也最高。另外,从断口形貌、二次裂纹微观特征和二次裂纹统计分析中可知,拉伸保载的引入导致典型的蠕变-疲劳损伤特征,压缩保载的引入导致氧化-疲劳的损伤特征,拉压共同保载的引入则导致复杂的蠕变-疲劳-氧化交互损伤的特征。(3)结合线性损伤累积和应变能密度耗散准则,在Takahashi模型的基础上考虑了压缩平均应力的弥复效应,发展了高精度的修正应变能密度耗散法。收集了不同材料在不同温度下的蠕变-疲劳寿命数据点,寿命预测的结果显示所有数据点均落在2.5倍的误差带以内,且99%的数据均落在2倍误差带范围之内。进一步地,借助逐循环的计算方法,发展了时间相关的蠕变-疲劳损伤交互图,进一步提高了低应变范围、长保载的寿命预测能力。(4)揭示了压缩保载下蠕变和氧化损伤的机制,完善了复杂载荷工况下用于预测蠕变-疲劳-氧化寿命的广义的应变能密度耗散法。收集了不同材料在不同温度下的拉伸保载、压缩保载以及拉压共同保载的寿命数据点,寿命预测的结果显示所有数据点均落在1.5倍误差带以内。此外,在传统的蠕变-疲劳损伤交互图中增加了氧化损伤的维度,提出了蠕变-疲劳-氧化损伤交互图,并提出了同时考虑蠕变、疲劳和氧化损伤交互作用的三维包络曲面。(5)开发了包含修正的统一粘塑性方程、多轴疲劳损伤和多轴蠕变损伤在内的数值计算方法,通过一系列单边缺口蠕变-疲劳试验验证了该数值计算方法的适用性,寿命预测的结果显示所有数据点均落在1.5倍的误差带以内。根据缺口根部区域典型节点的应力-应变行为以及所提出多轴蠕变-疲劳损伤模型的特点,模拟了疲劳损伤主导试样的裂纹萌生位置出现在缺口根部表面,而蠕变损伤主导试样的裂纹萌生位置出现在根部附近的内部区域,所述的模拟结果与相应载荷工况下用电子背散射衍射技术进行的金相观察的结果一致。(6)结合非统一蠕变-疲劳本构模型以及所提出的多轴蠕变-疲劳损伤模型,评估了某型航空发动机涡轮盘在稳态周次下的蠕变和疲劳损伤,确定了蠕变-疲劳裂纹萌生位置通常在结构几何不连续处。
【图文】：

姗气涡轮发动机部件中常用的发动机材料和Inconel718在其中的应用

Ｄａｍａｇｅ邋ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｓ邋丨邋ｉｒ邋＾逡逑Ｔｉｍｅ邋ｒ逡逑图１．２蠕变曲线中典型蠕变损伤演化示意图１％逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｔｙｐｉｃａｌ邋ｃｒｅｅｐ邋ｄａｍａｇｅ邋ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ邋ｉｎ邋ａ邋ｃｒｅｅｐ邋ｃｕｒｖｅ逡逑在传统描述懦变强度的领域内，虽然一些经典的螺变本构模型诸如Ｎｏｒｔｏｎ－Ｂａｉｌｅｙ、逡逑广义Ｇｒａｈａｍ方程虽然能够很好地同时描述蠕变初始阶段以及稳态阶段的蠕变变形行逡逑为，但是其缺点也显而易见。单纯的蠕变本构模型一方面难以将材料蠕变变形和损伤演逡逑化过程直接联系起来，另一方面也无法描述加速蠕变阶段直至蠕变断裂的变形特征。逡逑１９５８年，前苏联专家Ｋａｃｈａｎｏｖ＾２３１提出了金属在蠕变过程中有效应力和连续因子的概念，逡逑蠕变损伤力学应运而生。而后，Ｒａｂ0ｔｎ0ｖ［２４１详细定义了损伤因子的概念。通常认为，以逡逑Ｋａｃｈａｎｏｖ－Ｒａｂｏｔｎｏｖ为代表的纟需变损伤力学的诞生开创／邋“连续损伤力学”学科门类。逡逑而宏观连续损伤力学的兴起便构筑了高温下材料微观结构劣化和宏观力学性能变化之逡逑间的联系。相比于宏观唯象的分析方法，它更能从现象中反映材料失效破坏的本质和累逡逑积作用，具有较为明显的优势［２：＞］。在其后的几十年内，Ｏｔｈｍａｎ等人［２６］，，Ｋｏｗａｌｅｗｓｋｉ逡逑等人ｌ２７１
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V231.9


本文编号：2598518