電站高溫材料棘輪-蠕變交互作用的本構(gòu)模型研究.pdf

1、隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,在現(xiàn)代常規(guī)電站、核電站及大型化工等行業(yè)中,工作介質(zhì)的溫度和壓力大為提高,以超超臨界汽輪機(jī)為例,其蒸汽的溫度達(dá)到了600℃,壓力達(dá)到了25MPa,在如此高的參數(shù)下長(zhǎng)期運(yùn)行,材料不可避免的要發(fā)生疲勞和蠕變破壞行為,當(dāng)這兩種行為同時(shí)發(fā)生時(shí),產(chǎn)生一種具有更大破壞性的力學(xué)行為:棘輪變形。由于其平均應(yīng)力不為零,導(dǎo)致在循環(huán)過(guò)程中累積塑性應(yīng)變逐步增加,一直到材料破壞。在常規(guī)電站和核電站等行業(yè)中,壓力容器的強(qiáng)度設(shè)計(jì)均要求進(jìn)行棘輪效應(yīng)分

2、析。能否進(jìn)一步提高高溫材料的力學(xué)性能是限制超超臨界汽輪機(jī)進(jìn)一步提高參數(shù)的因?yàn)橹?。材料力學(xué)性能的研究的主要內(nèi)容之一是材料本構(gòu)關(guān)系的研究,一個(gè)好的本構(gòu)關(guān)系對(duì)于材料的壽命評(píng)估具有重要意義。
　　 目前大部分統(tǒng)一粘塑性本構(gòu)模型(如Ohno-wang、Chaboche等)在低應(yīng)力區(qū)進(jìn)行應(yīng)力保持時(shí),其粘性應(yīng)力σv迅速衰減為零,導(dǎo)致塑性應(yīng)變速率為零,因此不能對(duì)蠕變行為進(jìn)行合理的描述。針對(duì)這一現(xiàn)象,提出在本構(gòu)方程的塑性應(yīng)變的演變項(xiàng)中加入Nor

3、ton蠕變準(zhǔn)則,蠕變項(xiàng)通過(guò)影響運(yùn)動(dòng)硬化和隨動(dòng)硬化實(shí)現(xiàn)與疲勞項(xiàng)的耦合。
　　 由于Norton方程只能描述蠕變的第一和第二階段,體現(xiàn)不了第三階段的蠕變加速階段,根據(jù)勒梅特提出了應(yīng)變等價(jià)原理,利用等效應(yīng)力的概念引入蠕變損傷變量,并把等效應(yīng)力應(yīng)用到整個(gè)統(tǒng)一粘塑性本構(gòu)方程中,在引入蠕變及蠕變損傷變量后,模型能夠較為合理的描述棘輪與蠕變的交互作用。
　　 提出粒子群算法和有限元模塊相結(jié)合的本構(gòu)方程參數(shù)優(yōu)化方法,使用面向?qū)ο蟮腃++

4、語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了有限元計(jì)算模塊,與面向過(guò)程的Fortran語(yǔ)言相比,程序具有很好的擴(kuò)展性能。提出的優(yōu)化方法可以直接以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為輸入得到模型參數(shù),與傳統(tǒng)的參數(shù)確定方法相比可以大大的減少工作量。
　　 針對(duì)有限元實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的兩個(gè)主要技術(shù)難點(diǎn):隱式應(yīng)力積分過(guò)程、一致性剛度矩陣推導(dǎo),實(shí)現(xiàn)了耦合蠕變及損傷變量后的應(yīng)力積分過(guò)程和剛度矩陣的表達(dá)式,并成功的嵌入到有限元軟件ANSYS中。通過(guò)對(duì)內(nèi)壓管道受軸向循環(huán)載荷實(shí)驗(yàn)的模擬,結(jié)果表明,新的本構(gòu)方程