電站高溫材料棘輪-蠕變交互作用的本構模型研究.pdf

1、隨著工業(yè)技術的發(fā)展,在現代常規(guī)電站、核電站及大型化工等行業(yè)中,工作介質的溫度和壓力大為提高,以超超臨界汽輪機為例,其蒸汽的溫度達到了600℃,壓力達到了25MPa,在如此高的參數下長期運行,材料不可避免的要發(fā)生疲勞和蠕變破壞行為,當這兩種行為同時發(fā)生時,產生一種具有更大破壞性的力學行為:棘輪變形。由于其平均應力不為零,導致在循環(huán)過程中累積塑性應變逐步增加,一直到材料破壞。在常規(guī)電站和核電站等行業(yè)中,壓力容器的強度設計均要求進行棘輪效應分

2、析。能否進一步提高高溫材料的力學性能是限制超超臨界汽輪機進一步提高參數的因為之一。材料力學性能的研究的主要內容之一是材料本構關系的研究,一個好的本構關系對于材料的壽命評估具有重要意義。
　　 目前大部分統一粘塑性本構模型(如Ohno-wang、Chaboche等)在低應力區(qū)進行應力保持時,其粘性應力σv迅速衰減為零,導致塑性應變速率為零,因此不能對蠕變行為進行合理的描述。針對這一現象,提出在本構方程的塑性應變的演變項中加入Nor

3、ton蠕變準則,蠕變項通過影響運動硬化和隨動硬化實現與疲勞項的耦合。
　　 由于Norton方程只能描述蠕變的第一和第二階段,體現不了第三階段的蠕變加速階段,根據勒梅特提出了應變等價原理,利用等效應力的概念引入蠕變損傷變量,并把等效應力應用到整個統一粘塑性本構方程中,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合的本構方程參數優(yōu)化方法,使用面向對象的C++

4、語言開發(fā)了有限元計算模塊,與面向過程的Fortran語言相比,程序具有很好的擴展性能。提出的優(yōu)化方法可以直接以實驗數據作為輸入得到模型參數,與傳統的參數確定方法相比可以大大的減少工作量。
　　 針對有限元實現過程中的兩個主要技術難點:隱式應力積分過程、一致性剛度矩陣推導,實現了耦合蠕變及損傷變量后的應力積分過程和剛度矩陣的表達式,并成功的嵌入到有限元軟件ANSYS中。通過對內壓管道受軸向循環(huán)載荷實驗的模擬,結果表明,新的本構方程