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服役中的各种航空航天飞行器,压力容器,核电站以及发电厂中的一些主要零部件通常承受复杂的单多轴循环载荷和高温氧化蠕变交互作用。系统深入研究高温多轴疲劳性能和高温多轴疲劳寿命预测方法,对预防灾难事故的发生具有重要意义。
本文采用试验与理论结合的方法,研究涡轮盘材料GH4169镍基合金的高温疲劳行为。在试验的基础上,结合临界面法提出了适用于多轴疲劳的损伤参量,并进行了变幅载荷下的疲劳损伤累积;基于弹塑性有限元分析结果估算了缺口试样的疲劳寿命;在多轴疲劳理论基础上单独考虑高温下氧化蠕变的影响因素,进一步提出高温时间相关疲劳的损伤模型。论文的研究内容有以下几个方面:
首先,论文对高温镍基合金GH4169进行了高温多轴疲劳试验,分析了高温多轴加载下应力变化,发现材料在高温循环加载下主要表现为循环软化;分析了各种路径下的应力应变响应,发现拉扭分量应力应变迟滞回线形状与试件的加载路径密切相关;宏观和微观断口分析认为高温氧化对疲劳损伤有一定影响。
根据微观分析得到的裂纹扩展特点和多轴加载不同平面上的最大剪应变和相应的法向应变变程的变化特点,建立以最大剪应变幅和相应的较大正应变变程为基本参数的损伤参量,损伤参量考虑了材料在循环加载下的弹塑性受力状态,该损伤参量与Manson-Coffin方程相结合建立了多轴低周疲劳损伤模型。经由GH4169, Haynes188和一种低碳钢的多轴疲劳试验验证,表明所提出的模型可得到较为满意的结果。
为得到缺口件局部应力应变数据进而估算其疲劳寿命,文中用有限元模拟实现了高温拉扭多轴比例与非比例循环加载,高温单轴循环加载应力应变数据用于描述材料的多线性运动硬化特性;拉扭应变循环加载通过把一个循环分为多个不同载荷步来实现。通过光滑薄壁管件多轴循环有限元分析结果证明了基于有限元法的循环加载描述的正确性。利用该方法得到的缺口根部局部应力应变数据,采用提出的疲劳寿命预测模型估算了缺口件的疲劳裂纹萌生寿命。
针对多轴变幅加载,用考虑了非比例加载影响的等效应变求解等效应力,与改进的Chaboche损伤累积模型相结合,计算变幅加载下的疲劳损伤。推导出多级加载的Chaboche疲劳损伤累积公式,将其用于变幅加载块的疲劳损伤估算,并与Miner损伤累积模型进行了对比分析。
最后,对高温疲劳,单独考虑纯疲劳和时间相关因素造成的损伤。根据高温无保载情况下不同拉压应变率和循环时间引起的时间相关损伤的不同,建立了时间相关的损伤时间计算方法。基于线性损伤理论提出了适于高温循环加载的时间相关疲劳损伤模型。