本發(fā)明涉及熱-固有限元分析領(lǐng)域，具體而言，涉及一種基于短時(shí)應(yīng)力松弛試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)高溫長(zhǎng)時(shí)蠕變應(yīng)力松弛的方法。

背景技術(shù)：

1、金屬材料的蠕變行為是其在高溫條件下長(zhǎng)期服役時(shí)發(fā)生塑性變形的重要機(jī)制。蠕變是在恒定應(yīng)力作用下，金屬材料隨時(shí)間增長(zhǎng)而發(fā)生的塑性變形，是材料在高溫下的變形機(jī)制。蠕變行為會(huì)對(duì)材料的服役性能產(chǎn)生重大影響，在電站、煉鋼和煉油等工業(yè)領(lǐng)域，金屬材料的蠕變行為會(huì)使其工作應(yīng)力隨時(shí)間增加而降低，從而影響其使用性能和安全性。因此，掌握金屬材料的蠕變行為對(duì)于預(yù)測(cè)其在高溫條件下的服役性能有著重要的意義。

2、為了預(yù)測(cè)材料的蠕變行為，目前主要采用的方法有理論模型、實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)值模擬方法及結(jié)合方法。理論模型法主要是基于微觀蠕變機(jī)理，采用分子動(dòng)力學(xué)或熱力學(xué)模型，構(gòu)建材料的蠕變模型，由理論模型構(gòu)建的蠕變模型通常復(fù)雜且計(jì)算量大，不適于大量計(jì)算的場(chǎng)合。實(shí)驗(yàn)方法主要是采用材料標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，根據(jù)蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)建立蠕變模型，但該方法的蠕變模型往往只能基于特定材料，且只能用于特定壽命的預(yù)測(cè)。數(shù)值模擬方法主要是采用有限元法，利用蠕變本構(gòu)方程，構(gòu)建材料的蠕變模型，通過數(shù)值仿真計(jì)算預(yù)測(cè)材料的蠕變行為。該方法能夠基于蠕變本構(gòu)方程，對(duì)不同材料進(jìn)行預(yù)測(cè)，且適用性廣泛，但通常需要大量的蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)合方法主要是實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值模擬方法的結(jié)合，基于蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)和蠕變本構(gòu)方程，構(gòu)建蠕變模型，預(yù)測(cè)材料的蠕變行為。該方法能夠預(yù)測(cè)材料的蠕變行為，但需要大量的蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)。

3、然而，上述方法通常需要大量的蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)，且針對(duì)特定材料構(gòu)建蠕變模型時(shí)，需要獲取大量的蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)于工業(yè)中常用的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如法蘭結(jié)構(gòu)，通常無法獲取其蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)。此外，工業(yè)中常用的特定材料，如316h合金和gh4169合金等，由于材料的蠕變激活能較低，導(dǎo)致其蠕變模型參數(shù)難以通過蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)擬合，影響了預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。

4、鑒于以上技術(shù)問題，特推出本發(fā)明。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于短時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的法蘭結(jié)構(gòu)應(yīng)力松弛預(yù)測(cè)方法，該預(yù)測(cè)方法解決了法蘭結(jié)構(gòu)高溫應(yīng)力松弛試驗(yàn)研究周期長(zhǎng)，資金耗費(fèi)巨大的問題。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于短時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的法蘭結(jié)構(gòu)應(yīng)力松弛預(yù)測(cè)方法，包括如下步驟：

3、步驟s1，材料高溫短時(shí)應(yīng)力松弛試驗(yàn)：準(zhǔn)備1個(gè)或多個(gè)材料樣塊，對(duì)材料樣塊進(jìn)行高溫短時(shí)應(yīng)力松弛試驗(yàn)，獲取材料樣塊在不同高溫條件下的應(yīng)力松弛數(shù)據(jù)；

4、步驟s2，高溫蠕變本構(gòu)模型建立：在對(duì)步驟s1中的應(yīng)力松弛數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合的基礎(chǔ)上，根據(jù)對(duì)數(shù)型蠕變本構(gòu)方程，建立材料的高溫蠕變本構(gòu)模型；

5、步驟s3，法蘭結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分布計(jì)算：構(gòu)建法蘭結(jié)構(gòu)有限元模型，并計(jì)算指定溫度下的溫度場(chǎng)分布，以得到法蘭結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)；

6、步驟s4，法蘭結(jié)構(gòu)高溫長(zhǎng)時(shí)應(yīng)力松弛行為預(yù)測(cè)：基于步驟s3中的法蘭結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)，進(jìn)行法蘭結(jié)構(gòu)的熱-固有限元計(jì)算，預(yù)測(cè)法蘭結(jié)構(gòu)在高溫長(zhǎng)時(shí)服役條件下的應(yīng)力松弛。

7、以下是本發(fā)明對(duì)上述方案的進(jìn)一步優(yōu)化：

8、進(jìn)一步的，應(yīng)力松弛預(yù)測(cè)方法還包括運(yùn)算模型建立步驟：基于步驟s2中的高溫蠕變本構(gòu)模型，定義材料樣塊的蠕變性能，從而確立運(yùn)算模型，運(yùn)算模型建立步驟處于步驟s2和步驟s3之間。

9、進(jìn)一步的，在步驟s4中，可將步驟s3得到的有限元模型導(dǎo)入仿真軟件，并加載運(yùn)算模型，從而預(yù)測(cè)法蘭結(jié)構(gòu)在高溫長(zhǎng)時(shí)服役條件下的應(yīng)力松弛。

10、進(jìn)一步的，在步驟s2中，應(yīng)力松弛數(shù)據(jù)的曲線擬合為三次延時(shí)函數(shù)的曲線擬合。

11、進(jìn)一步的，步驟s3中的指定溫度載荷包括周期性溫度載荷和/或恒定溫度載荷。

12、進(jìn)一步的，周期性溫度載荷的施加方式包括溫度變化的頻率和幅度。

13、進(jìn)一步的，步驟s4中，將有限元模型導(dǎo)入仿真軟件時(shí)，還包括在仿真軟件中預(yù)設(shè)應(yīng)力松弛時(shí)間和螺栓預(yù)緊力。

14、進(jìn)一步的，材料樣塊的材料為316h合金和/或gh4169合金。

15、進(jìn)一步的，步驟s2中的三次延時(shí)函數(shù)表達(dá)式如下，其中，σ為瞬時(shí)應(yīng)力，σr為剩余應(yīng)力，t為應(yīng)力松弛時(shí)間，b1,τ1,b2,τ2,b3,τ3均為應(yīng)力松弛過程材料常數(shù)。

16、進(jìn)一步的，步驟s2中的對(duì)數(shù)型蠕變本構(gòu)方程為其中，為蠕變應(yīng)變率，e為楊氏模量，σ為瞬時(shí)應(yīng)力，σ0為初始載荷，參數(shù)參數(shù)t為應(yīng)力松弛時(shí)間。

17、進(jìn)一步的，材料樣塊采用316h合金時(shí)，設(shè)定參數(shù)a與溫度t呈指數(shù)關(guān)系，參數(shù)b與溫度t呈線性關(guān)系；316h合金的參數(shù)a、b與溫度t的表達(dá)式如下，

18、

19、進(jìn)一步的，材料樣塊采用gh4169合金時(shí)，設(shè)定參數(shù)a與溫度t呈線性關(guān)系，參數(shù)b與溫度t呈指數(shù)關(guān)系；gh4169合金的參數(shù)a、b與溫度t的表達(dá)式如下，

20、

21、進(jìn)一步的，在步驟s3中，可輸入法蘭結(jié)構(gòu)的第一材料參數(shù)，其中第一材料參數(shù)包括材料密度、泊松比、導(dǎo)熱系數(shù)及對(duì)流換熱系數(shù)中的一種或多種。

22、進(jìn)一步的，在步驟s3中，可在法蘭結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁施加上限溫度和下限溫度。

23、進(jìn)一步的，上限溫度為500℃，下限溫度為420℃。

24、進(jìn)一步的，在步驟s4中，可輸入法蘭結(jié)構(gòu)的第二材料參數(shù)，第二材料參數(shù)包括材料密度、彈性模量、泊松比、塑性段應(yīng)力應(yīng)變曲線及線膨脹系數(shù)中的一種或多種。

25、應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)方案，至少實(shí)現(xiàn)了如下有益效果：

26、1.本發(fā)明通過采用三次延時(shí)函數(shù)對(duì)最初階段的應(yīng)力松弛由于松弛較快導(dǎo)致存在明顯陡然變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)點(diǎn)補(bǔ)充，解決了尖角現(xiàn)象，使曲線更為平滑。

27、2.本發(fā)明建立對(duì)數(shù)蠕變本構(gòu)模型并確定相應(yīng)參數(shù)，能夠較好的描述316h合金和gh4169合金的蠕變性能。

28、3.本發(fā)明建立1/40法蘭結(jié)構(gòu)有限元模型，計(jì)算周期性溫度載荷下法蘭結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)有限元模型，具有較高真實(shí)性和計(jì)算效率；同時(shí)提出使用上下限恒溫載荷替代周期性溫度載荷來計(jì)算溫度場(chǎng)的方法，能夠快速預(yù)測(cè)更長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間下法蘭結(jié)構(gòu)的高溫應(yīng)力松弛行為，進(jìn)一步提高了計(jì)算效率。

29、4.本發(fā)明基于短時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建高溫蠕變本構(gòu)模型，利用有限元軟件進(jìn)行法蘭結(jié)構(gòu)的熱-固有限元數(shù)值計(jì)算，較好的預(yù)測(cè)法蘭結(jié)構(gòu)在高溫長(zhǎng)時(shí)服役過程中的應(yīng)力松弛行為，解決了法蘭結(jié)構(gòu)主要材料高溫應(yīng)力松弛試驗(yàn)數(shù)據(jù)不足以及法蘭結(jié)構(gòu)高溫應(yīng)力松弛試驗(yàn)研究周期長(zhǎng)、資金耗費(fèi)巨大的問題。

技術(shù)特征：

1.基于短時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的法蘭結(jié)構(gòu)應(yīng)力松弛預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)力松弛預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述應(yīng)力松弛預(yù)測(cè)方法還包括運(yùn)算模型建立步驟：基于所述步驟s2中的所述高溫蠕變本構(gòu)模型，定義所述材料樣塊的蠕變性能，從而確立所述運(yùn)算模型，所述運(yùn)算模型建立步驟處于所述步驟s2和所述步驟s3之間。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的應(yīng)力松弛預(yù)測(cè)方法，其特征在于，在所述步驟s4中，可將所述步驟s3得到的所述有限元模型導(dǎo)入仿真軟件，并加載所述運(yùn)算模型，從而預(yù)測(cè)所述法蘭結(jié)構(gòu)在高溫長(zhǎng)時(shí)服役條件下的應(yīng)力松弛。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)力松弛預(yù)測(cè)方法，其特征在于，在所述步驟s2中，所述應(yīng)力松弛數(shù)據(jù)的曲線擬合為三次延時(shí)函數(shù)的曲線擬合。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)力松弛預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟s3中的指定溫度載荷包括周期性溫度載荷和/或恒定溫度載荷。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的應(yīng)力松弛預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述周期性溫度載荷的施加方式包括溫度變化的頻率和幅度。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的應(yīng)力松弛預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟s4中，將所述有限元模型導(dǎo)入所述仿真軟件時(shí)，還包括在所述仿真軟件中預(yù)設(shè)應(yīng)力松弛時(shí)間和螺栓預(yù)緊力。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)力松弛預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述材料樣塊的材料為316h合金和/或gh4169合金。

9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的應(yīng)力松弛預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟s2中的所述三次延時(shí)函數(shù)表達(dá)式如下，其中，σ為瞬時(shí)應(yīng)力，σr為剩余應(yīng)力，t為應(yīng)力松弛時(shí)間，而b1,τ1,b2,τ2,b3,τ3均為應(yīng)力松弛過程材料常數(shù)，通過所述步驟s2對(duì)所述應(yīng)力松弛數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合時(shí)得出。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)力松弛預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟s2中的所述對(duì)數(shù)型蠕變本構(gòu)方程為其中，為蠕變應(yīng)變率，e為楊氏模量，σ為瞬時(shí)應(yīng)力，σ0為初始載荷，參數(shù)參數(shù)t為應(yīng)力松弛時(shí)間。

11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的應(yīng)力松弛預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述材料樣塊采用316h合金時(shí)，設(shè)定參數(shù)a與溫度t呈指數(shù)關(guān)系，參數(shù)b與溫度t呈線性關(guān)系；所述316h合金的參數(shù)a、b與溫度t的表達(dá)式如下，

12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的應(yīng)力松弛預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述材料樣塊采用gh4169合金時(shí)，設(shè)定參數(shù)a與溫度t呈線性關(guān)系，參數(shù)b與溫度t呈指數(shù)關(guān)系；所述gh4169合金的參數(shù)a、b與溫度t的表達(dá)式如下，

13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)力松弛預(yù)測(cè)方法，其特征在于，在所述步驟s3中，可輸入所述法蘭結(jié)構(gòu)的第一材料參數(shù)，其中所述第一材料參數(shù)包括材料密度、泊松比、導(dǎo)熱系數(shù)及對(duì)流換熱系數(shù)中的一種或多種。

14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)力松弛預(yù)測(cè)方法，其特征在于，在所述步驟s3中，可在所述法蘭結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁施加上限溫度和下限溫度。

15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的應(yīng)力松弛預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述上限溫度為500℃，下限溫度為420℃。

16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)力松弛預(yù)測(cè)方法，其特征在于，在所述步驟s4中，可輸入法蘭結(jié)構(gòu)的第二材料參數(shù)，所述第二材料參數(shù)包括材料密度、彈性模量、泊松比、塑性段應(yīng)力應(yīng)變曲線及線膨脹系數(shù)中的一種或多種。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種基于短時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的法蘭結(jié)構(gòu)應(yīng)力松弛預(yù)測(cè)方法，步驟如下：步驟S1，材料高溫短時(shí)應(yīng)力松弛試驗(yàn)：準(zhǔn)備1個(gè)或多個(gè)材料樣塊，對(duì)材料樣塊進(jìn)行高溫短時(shí)應(yīng)力松弛試驗(yàn)，獲取材料樣塊在不同高溫條件下的應(yīng)力松弛數(shù)據(jù)；步驟S2，高溫蠕變本構(gòu)模型建立：在對(duì)步驟S1中的應(yīng)力松弛數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合的基礎(chǔ)上，根據(jù)對(duì)數(shù)型蠕變本構(gòu)方程，建立材料的高溫蠕變本構(gòu)模型；步驟S3，法蘭結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分布計(jì)算：構(gòu)建法蘭結(jié)構(gòu)有限元模型，并計(jì)算指定溫度下的溫度場(chǎng)分布，以得到法蘭結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)；步驟S4，法蘭結(jié)構(gòu)高溫長(zhǎng)時(shí)應(yīng)力松弛行為預(yù)測(cè)：基于步驟S3中的法蘭結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)，進(jìn)行法蘭結(jié)構(gòu)的熱?固有限元計(jì)算，預(yù)測(cè)法蘭結(jié)構(gòu)在高溫長(zhǎng)時(shí)服役條件下的應(yīng)力松弛。

技術(shù)研發(fā)人員：吳蕓州,馬琴,喻文浩,柴怡君,劉寶君,劉嘉一,李躍明,王艷蘋,唐雨建
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)核電工程有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15