基于Bodner-Partom理论的FGH96合金本构建模研究
发布时间：2022-01-27 02:22
为研究某航空发动机涡轮盘典型材料粉末高温合金FGH96高温下的变形特性,基于Bodner-Partom（B-P）统一粘塑性本构理论对其高温下的力学行为进行本构建模。开展了550℃下的单轴拉伸及低周疲劳试验,利用Levenberg-Marquardt算法对模型参数进行了优化识别。采用隐式积分算法将本构方程离散为差分方程组,推导了一致切线刚度矩阵,为提高积分过程的精度和可靠性,引入以非弹性应变增量为度量的积分步长控制策略。通过用户子程序接口UMAT将B-P模型引入到ABAQUS有限元软件中进行数值模拟。结果表明:高温下FGH96材料表现出一定的率相关性及循环软化特性,模拟曲线与试验结果平均相对误差在10%以内,具有较好的一致性,说明B-P模型能够较好地模拟FGH96合金高温下的变形特性,验证了本实验模型与UMAT子程序的准确性。
【文章来源】：材料导报. 2020,34(16)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
有限元仿真应力云图:(a)单轴拉伸，(b)低周疲劳(电子版为彩图)
通过用户子程序UMAT接口将B-P模型植入到ABAQUS软件中，UMAT流程图如图1所示。利用表1中的材料参数，对FGH96合金在550℃下的单轴拉伸及低周疲劳行为进行数值模拟。几何模型的约束条件为一端固定，一端受载，采用C3D8R单元对模型进行网格划分，节点总数为384 650，单元总数为364 536，单轴拉伸模型施加5%的位移载荷，低周疲劳模型施加应力控制的三角波。图2给出了FGH96合金单轴拉伸(1×10-3s-1)和低周疲劳(850 MPa)应力云图。图2 有限元仿真应力云图:(a)单轴拉伸，(b)低周疲劳(电子版为彩图)
图3给出了FGH96合金在550℃时不同应变速率(1×10-3s-1、5×10-4s-1)下的单轴拉伸及有限元模拟曲线。从图3中可以看出，材料在弹性段受应变速率影响不明显，两组不同应变速率下的弹性变形曲线基本重合，而当材料进入屈服阶段后不同的应变速率对材料的形变影响比较明显，当应变速率由5×10-4s-1增加到1×10-3s-1时，材料的屈服强度增加了约54 MPa，由此可见，高温下FGH96合金表现出一定的拉伸率相关性。采用B-P模型对FGH96合金高温下不同应变速率拉伸曲线进行了数值模拟，平均相对误差分别为2.07%(1×10-3s-1)、3.05%(5×10-4s-1)，说明B-P模型能够准确地表征该材料在高温下的拉伸变形特性，同时也能对材料的率相关行为进行较好模拟。图4给出了FGH96合金550℃时不同应力水平(850MPa、950 MPa)下低周疲劳循环响应规律及有限元模拟曲线。从图4中可以看出，随着应力水平的增加，材料的循环应变范围也增加，稳态滞回曲线面积(即循环应变迟滞能)也相应增大，疲劳寿命减小;同一应力水平下应变范围随着循环数的增加而增加，表现出明显的循环软化现象。采用B-P模型对FGH96合金高温下的循环应变范围响应及稳态滞回曲线进行了数值模拟，循环应变范围响应模拟平均相对误差分别为1.46%(850 MPa)、1.52%(950 MPa)，说明B-P模型能够对材料的循环软化现象进行准确模拟。稳态滞回曲线模拟平均相对误差分别为8.43%(850 MPa)、9.15%(950MPa)，与试验结果相比，模拟结果在加载和卸载终段比较平坦，出现“过方”现象，这是由于B-P本构模型运动硬化变量的演化方程中缺少动力恢复项，使得模型的弹性阶段与稳态流动塑性阶段迅速衔接[33]。此外，本构模型的变形方程中缺少粘弹性变形也会造成迟滞环加/卸载过渡段出现“过方”现象[36]。因此，需要对B-P模型进行改进，以提高对材料变形过渡段的模拟精度。
【参考文献】：
期刊论文
[1]焊接参数对FGH96惯性摩擦焊接头组织和高温拉伸性能的影响[J]. 杨俊,李京龙,董登科,廖江海. 航空材料学报. 2019(02)
[2]FGH96激光熔化沉积成形过程对组织与性能的影响[J]. 刘帅,张雪,于海鑫,刘常升. 航空制造技术. 2019(Z1)
[3]表面完整性对FGH96粉末合金高温低循环疲劳性能的影响研究[J]. 王欣,陈星,王晓峰,宋颖刚,汤智慧,邹金文. 稀有金属材料与工程. 2019(01)
[4]GH4169合金的循环本构模型研究[J]. 卢孔汉,张宏建,贾鹏超. 推进技术. 2019(02)
[5]梯度组织FGH96合金残留枝晶区的组织特征研究[J]. 田高峰,陈阳,汪煜. 粉末冶金技术. 2018(06)
[6]热变形对FGH96高温合金原始颗粒边界的影响[J]. 傅豪,王梦雅,纪箴,田高峰,秦恬,贾成厂. 粉末冶金技术. 2018(03)
[7]航空发动机高温材料的研究现状及展望[J]. 付青峰,杨细莲,刘克明. 热处理技术与装备. 2018(03)
[8]热变形工艺对FGH96高温合金PPB析出相及组织的影响[J]. 刘昌奎,魏振伟,张佳庆,郑真. 航空材料学报. 2018(03)
[9]粉末高温合金的研究现状[J]. 郭茂文,刘春荣,郑雪萍,刘超,刘胜林. 热加工工艺. 2017(20)
[10]粉末冶金镍基高温合金FGH96高温疲劳寿命分散性特征[J]. 苗国磊,杨晓光,石多奇. 航空动力学报. 2017(02)
博士论文
[1]粉末高温合金材料的力学特性及其在涡轮盘上的应用研究[D]. 杨治国.南京航空航天大学 2007
[2]粘弹塑性统一本构理论[D]. 冯明珲.大连理工大学 2000
本文编号：3611572
【文章来源】：材料导报. 2020,34(16)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
有限元仿真应力云图:(a)单轴拉伸，(b)低周疲劳(电子版为彩图)
通过用户子程序UMAT接口将B-P模型植入到ABAQUS软件中，UMAT流程图如图1所示。利用表1中的材料参数，对FGH96合金在550℃下的单轴拉伸及低周疲劳行为进行数值模拟。几何模型的约束条件为一端固定，一端受载，采用C3D8R单元对模型进行网格划分，节点总数为384 650，单元总数为364 536，单轴拉伸模型施加5%的位移载荷，低周疲劳模型施加应力控制的三角波。图2给出了FGH96合金单轴拉伸(1×10-3s-1)和低周疲劳(850 MPa)应力云图。图2 有限元仿真应力云图:(a)单轴拉伸，(b)低周疲劳(电子版为彩图)
图3给出了FGH96合金在550℃时不同应变速率(1×10-3s-1、5×10-4s-1)下的单轴拉伸及有限元模拟曲线。从图3中可以看出，材料在弹性段受应变速率影响不明显，两组不同应变速率下的弹性变形曲线基本重合，而当材料进入屈服阶段后不同的应变速率对材料的形变影响比较明显，当应变速率由5×10-4s-1增加到1×10-3s-1时，材料的屈服强度增加了约54 MPa，由此可见，高温下FGH96合金表现出一定的拉伸率相关性。采用B-P模型对FGH96合金高温下不同应变速率拉伸曲线进行了数值模拟，平均相对误差分别为2.07%(1×10-3s-1)、3.05%(5×10-4s-1)，说明B-P模型能够准确地表征该材料在高温下的拉伸变形特性，同时也能对材料的率相关行为进行较好模拟。图4给出了FGH96合金550℃时不同应力水平(850MPa、950 MPa)下低周疲劳循环响应规律及有限元模拟曲线。从图4中可以看出，随着应力水平的增加，材料的循环应变范围也增加，稳态滞回曲线面积(即循环应变迟滞能)也相应增大，疲劳寿命减小;同一应力水平下应变范围随着循环数的增加而增加，表现出明显的循环软化现象。采用B-P模型对FGH96合金高温下的循环应变范围响应及稳态滞回曲线进行了数值模拟，循环应变范围响应模拟平均相对误差分别为1.46%(850 MPa)、1.52%(950 MPa)，说明B-P模型能够对材料的循环软化现象进行准确模拟。稳态滞回曲线模拟平均相对误差分别为8.43%(850 MPa)、9.15%(950MPa)，与试验结果相比，模拟结果在加载和卸载终段比较平坦，出现“过方”现象，这是由于B-P本构模型运动硬化变量的演化方程中缺少动力恢复项，使得模型的弹性阶段与稳态流动塑性阶段迅速衔接[33]。此外，本构模型的变形方程中缺少粘弹性变形也会造成迟滞环加/卸载过渡段出现“过方”现象[36]。因此，需要对B-P模型进行改进，以提高对材料变形过渡段的模拟精度。
【参考文献】：
期刊论文
[1]焊接参数对FGH96惯性摩擦焊接头组织和高温拉伸性能的影响[J]. 杨俊,李京龙,董登科,廖江海. 航空材料学报. 2019(02)
[2]FGH96激光熔化沉积成形过程对组织与性能的影响[J]. 刘帅,张雪,于海鑫,刘常升. 航空制造技术. 2019(Z1)
[3]表面完整性对FGH96粉末合金高温低循环疲劳性能的影响研究[J]. 王欣,陈星,王晓峰,宋颖刚,汤智慧,邹金文. 稀有金属材料与工程. 2019(01)
[4]GH4169合金的循环本构模型研究[J]. 卢孔汉,张宏建,贾鹏超. 推进技术. 2019(02)
[5]梯度组织FGH96合金残留枝晶区的组织特征研究[J]. 田高峰,陈阳,汪煜. 粉末冶金技术. 2018(06)
[6]热变形对FGH96高温合金原始颗粒边界的影响[J]. 傅豪,王梦雅,纪箴,田高峰,秦恬,贾成厂. 粉末冶金技术. 2018(03)
[7]航空发动机高温材料的研究现状及展望[J]. 付青峰,杨细莲,刘克明. 热处理技术与装备. 2018(03)
[8]热变形工艺对FGH96高温合金PPB析出相及组织的影响[J]. 刘昌奎,魏振伟,张佳庆,郑真. 航空材料学报. 2018(03)
[9]粉末高温合金的研究现状[J]. 郭茂文,刘春荣,郑雪萍,刘超,刘胜林. 热加工工艺. 2017(20)
[10]粉末冶金镍基高温合金FGH96高温疲劳寿命分散性特征[J]. 苗国磊,杨晓光,石多奇. 航空动力学报. 2017(02)
博士论文
[1]粉末高温合金材料的力学特性及其在涡轮盘上的应用研究[D]. 杨治国.南京航空航天大学 2007
[2]粘弹塑性统一本构理论[D]. 冯明珲.大连理工大学 2000
本文编号：3611572
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