專利名稱：確定由各向異性材料組成部件的彈性－塑性特性的方法以及該方法的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械部件特性的分析和預(yù)測(cè)領(lǐng)域。本發(fā)明涉及確定依據(jù)權(quán)利要求1前序部分所述部件的彈性-塑性特性的方法。
背景技術(shù)：
燃?xì)廨啓C(jī)上的部件(工作葉片，導(dǎo)向葉片，內(nèi)襯等)通常承受很高的負(fù)荷，以至于使用壽命有限。預(yù)測(cè)這種使用壽命對(duì)于可靠和經(jīng)濟(jì)地設(shè)計(jì)燃?xì)廨啓C(jī)來說是必要的。
這些部件的負(fù)荷由力、高熱載荷、氧化和腐蝕構(gòu)成。機(jī)械和熱負(fù)荷許多情況下在幾千個(gè)載荷循環(huán)后就會(huì)導(dǎo)致部件疲勞。這種低循環(huán)疲勞在等溫情況下通過低循環(huán)疲勞試驗(yàn)(LCF＝Low Cycle Fatigue)和在不等溫情況下通過熱機(jī)械疲勞試驗(yàn)(TMF＝Thermal Mechanical Fatigue)描述。
在燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)階段，計(jì)算出由負(fù)荷引起的應(yīng)力。幾何形狀和/或者負(fù)荷的復(fù)雜性要求使用有限元法(FE)計(jì)算應(yīng)力。但是，因?yàn)橐话愠鲇诔杀竞蜁r(shí)間原因不可能進(jìn)行必需的非彈性計(jì)算，所以使用壽命的預(yù)測(cè)幾乎只能在線性-彈性應(yīng)力的基礎(chǔ)上進(jìn)行。大多數(shù)情況下只有等溫?cái)?shù)據(jù)(檢查延伸的LCF試驗(yàn))可供使用，因此還必須利用LCF數(shù)據(jù)進(jìn)行不等溫評(píng)價(jià)。
在此方面，總對(duì)比延伸εv，ep的幅度作為損害(損害定律)的程度使用。如果達(dá)到了部件上要求的循環(huán)數(shù)Nreq，那么部件每個(gè)部位上總對(duì)比伸長(zhǎng)εv，ep的幅度必需滿足關(guān)系式(a)--ϵv,ep≤ϵaM(Tdam,Nreq).]]>εaM是從等溫LCF試驗(yàn)中測(cè)定的允許總伸長(zhǎng)幅度。它應(yīng)對(duì)不同的溫度和循環(huán)數(shù)確定。損害基礎(chǔ)上的溫度Tdam必須為溫度變化的一個(gè)循環(huán)適當(dāng)選擇。
如果標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷在高溫下作用多分鐘，那么應(yīng)考慮到附加的損害。為掌握根據(jù)蠕變疲勞和循環(huán)性疲勞的損害累加減少的使用壽命，測(cè)定帶有保持時(shí)間試驗(yàn)中的LCF數(shù)據(jù)。
損害程度εv，ep相當(dāng)于一個(gè)作用循環(huán)的伸長(zhǎng)程度。這個(gè)循環(huán)從線性-彈性分析的循環(huán)通過修改的Neuber-定則測(cè)定。
(b)--σ‾d*ev·ϵ‾*(σ‾dev*)=σ‾epdev·ϵ‾ep(σ‾dev)]]>其中，σ*dev為線性-彈性應(yīng)力幅度的誤差矢量，ε*(σ*dev)為線性-彈性伸長(zhǎng)幅度的矢量，σep為總線性-彈性應(yīng)力幅度的誤差矢量以及εep(σdev)為彈性-塑性伸長(zhǎng)幅度的矢量。
損害程度εv，ep通過比較假定從總彈性-塑性伸長(zhǎng)幅度εep(σdev)中確定。
為測(cè)定總彈性-塑性伸長(zhǎng)幅度εep(σdev)所需的循環(huán)性σ-ε-曲線分析上通過修改的Ramberg-Osgood-關(guān)系式表示。
然后可以借助Neuber-定則近似掌握燃?xì)廨啓C(jī)部件(葉片，燃燒室)內(nèi)出現(xiàn)的非彈性效應(yīng)。這些效應(yīng)在結(jié)構(gòu)的使用壽命預(yù)測(cè)方面必須予以考慮。但迄今為止公知只有各向同性機(jī)械特性材料的Neuber-定則(b)。
因?yàn)橛捎谄湓谌細(xì)廨啓C(jī)制造方面特殊的性能，在特別是汽輪機(jī)葉片部件上增加使用(各向異性的)單晶材料，所以對(duì)于這些部件的設(shè)計(jì)來說，特別是在確定循環(huán)性負(fù)荷下的使用壽命方面，提供一種與各向同性材料的情況類似的計(jì)算方法是值得追求的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的因此在于提供一種方法，用于近似確定單晶材料在高溫下的彈性-塑性特性，特別是用于確定由單晶材料制成的燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備部件的使用壽命。
該目的通過權(quán)利要求1的整體特征得以實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的核心在于，為考慮特別是通過使用單晶材料產(chǎn)生的部件的各向異性性能，使用下列方式修改的各向異性Neuber-定則σ‾dev*·ϵ‾*(σ‾dev*)=σ‾dev*E‾‾-1σ‾dev*=σ‾epdevE‾‾-1σ‾epdev+σ‾epdev·∂σv.ep2∂σ‾ep·αER(σv,ep2σ02)n-1]]>
在此方面，最好為數(shù)值σ*dev和σep使用下列關(guān)系式σ‾dev*=D‾σ*2]]>和σ‾epdev=D‾σep2]]>在此方面，D＝[Dxx，Dyy，Dzz，Dyz，Dzx，Dxy]為長(zhǎng)度1的向量，DTD＝1，此外具有偏差性，Dxx+Dyy+Dzz＝1。此外，適用關(guān)系式σ*·σ*＝σ*2和σep·σep＝σep2，從中得出修改的Neuber-定則，可以下列方式表示σ2*=σep2(1+ACαER(Aσep2σ02)n-1)]]>，加入各向異性非彈性校正項(xiàng)A=12[F(Dyy-Dzz)2+G(Dzz-Dxx)2+H(Dxx-Dyy)2+2LDyz2+2MDzx2+2NDxy2]]]>和各向異性彈性校正項(xiàng)C=D‾·E‾‾-1·D‾,]]>其中，F(xiàn)，G，H，L，M和N為Hill參數(shù)。
依據(jù)該方法的一優(yōu)選構(gòu)成，方程式修改的Neuber-定則利用疊代法，特別是Newton-疊代得以解算。
依據(jù)本發(fā)明，使用該方法確定處于循環(huán)性負(fù)荷下的燃?xì)廨啓C(jī)部件的使用壽命。
具體實(shí)施例方式
以本發(fā)明為依據(jù)的材料模型從塑性潛能中推導(dǎo)(1)--Ω=ασ02ERn(σv,ep2σ02)n]]>在這種情況下-ER為‘參考’-剛性。代入ER是為了得到該公式與公知的各向同性情況的公式形式上的相似性。ER依據(jù)目的在所研究的材料彈性校正項(xiàng)的數(shù)量級(jí)中選擇，例如ER＝100000Nmm2，-Ω為材料的塑性潛能，從中通過按應(yīng)力推導(dǎo)計(jì)算塑性伸長(zhǎng)，
-σ0為‘參考’-應(yīng)力，依據(jù)目的在屈服點(diǎn)的數(shù)量級(jí)中選擇，以及-σv，ep為各向異性的比較應(yīng)力(見下面)。
塑性伸長(zhǎng)然后形成(2)--ϵ‾pl=∂Ω∂σ‾ep]]>從塑性潛能中通過按應(yīng)力σep局部推導(dǎo)形成塑性伸長(zhǎng)εpl。
利用方程式(1)和(2)得出(3)--∂Ω∂σ‾ep=∂σv,ep2∂σ‾epαER(σv,ep2σ02)n-1]]>σv，ep為(各向異性的)比較應(yīng)力。在本各向異性情況下，可以使用按HILL的比較應(yīng)力(4)--σv,ep2=12[F(σyy-σzz)2+G(σzz-σxx)2+H(σxx-σyy)2+2Lσyz2+2Mσzx2+2Nσxy2]]]>對(duì)于正交各向異性材料的普遍情況來說，應(yīng)考慮六個(gè)因變塑性材料常數(shù)F，G，H以及L，M和N(Hill常數(shù))。1＝F＝G＝H＝3L＝3M＝3N的特殊情況產(chǎn)生各向同性材料公知的von-Mises比較應(yīng)力；兩個(gè)因變參數(shù)F＝G＝H和L＝M＝N的特殊情況產(chǎn)生立方晶體對(duì)稱性的公式化，在這里對(duì)單晶材料(例如CMSX-4)來說值得注意。
從方程式(3)得出(5)--ϵ‾pl=ϵv∂σv,ep2∂σ‾ep]]>加入‘向量’(6)--∂σv,ep2∂σ‾ep=-G(σzz-σxx)+H(σxx-σyy)F(σyy-σzz)-H(σxx-σyy)-F(σyy-σxx)+G(σzz-σxx)2Nσxy2Mσzx2Lσyz]]>和‘比較伸長(zhǎng)’
(7)--ϵv=αER·(σv,ep2σ02)n-1]]>對(duì)這里值得注意的帶有立方對(duì)稱性的單晶材料使用線性-彈性方程式(8)--E‾‾-1‾1/E-v/E-v/E000-v/E1/E-v/E000-v/E-v/E1/E0000001/G0000001/G0000001/G]]>E，G和v為立方對(duì)稱(單晶-)材料的三個(gè)因變彈性材料常數(shù)。
完整的各向異性Ramberg-Osgood材料定律作為彈性和塑性伸長(zhǎng)的總數(shù)產(chǎn)生(9)--ϵ‾ep=E‾‾-1·σ‾ep+∂σv,ep2∂σ‾epαER(σv,ep2σ02)n-1]]>在這里使用的Neuber定則的變體中，線性彈性值和彈性塑性值的方式修改工作等量(10)--σ‾dev*·ϵ‾*(σ‾dev*)=σ‾epdev·ϵ‾ep(σ‾dev)]]>彈性塑性伸長(zhǎng)εep(σdev)從Ramberg-Osgood-關(guān)系式中為偏差值(11)--ϵ‾ep(σ‾epdev)=E‾‾-1·σ‾epdev+∂σv,ep2∂σ‾epαER(σv,epσ02)n-1]]>線性彈性伸長(zhǎng)ε*(σ*dev)從Hooke定律中以下列方式產(chǎn)生(12)--ϵ‾*(σ‾dev*)=E‾‾-1·σ‾dev*]]>因此得到各向異性的Neuber定則(13)--σ‾dev*·ϵ‾*(σ‾dev*)=σ‾dev*E‾‾-1σ‾dev*=σ‾epdevE‾‾-1σ‾epdev+σ‾epdev·∂σv,ep2∂σ·αER(σv,ep2σ02)n-1]]>這里假設(shè)彈性塑性應(yīng)力與(從有限元計(jì)算出的)彈性應(yīng)力是成比例的?；蛘邠Q句話說，假設(shè)如果從彈性應(yīng)力σ*向估計(jì)的非彈性應(yīng)力過渡的話，應(yīng)力空間內(nèi)的應(yīng)力方向不變?！蛄俊疍可以由此確定
(14)--σ‾dev*D‾σ2*]]>對(duì)非彈性(估計(jì)的)應(yīng)力來說，現(xiàn)在適用相同的向量(15)--σ‾epdev=D‾σep2]]>由此隨即為彈性應(yīng)力產(chǎn)生(16)--σ‾dev*E‾‾-1σ‾dev*=D‾·E‾‾-1·D‾σ2*=Cσ2*]]>并為非彈性應(yīng)力產(chǎn)生(17)--σ‾devE‾‾-1σ‾dev=D‾·E‾‾-1·D‾σ2=Cσ2]]>對(duì)彈性-塑性比較應(yīng)力適用(18)--σv,ep2=12[F(Dyy-Dzz)2+G(Dzz-Dxx)2+H(Dxx-Dyy)2+2LDyz2+2MDzx2+2NDxy2]]]>σep2=Aσep2]]>因此方程式(13)也可以下列方式表示(19)--σ2*=σep2(1+ACαER(Aσep2σ02)n-1)]]>，加入各向異性非彈性校正項(xiàng)(20)--A=12[F(Dyy-Dzz)2+G(Dzz-Dxx)2+H(Dxx-Dyy)2+2LDyz2+2MDzx2+2NDxy2]]]>各向異性彈性校正項(xiàng)(21)--C=D‾·E‾‾-1·D‾]]>上述方程式(19)σep2可以像在‘傳統(tǒng)的’Neuber定則情況下那樣采用疊代法(Newton-疊代)解算。如果σep2測(cè)定，那么可以借助D立即計(jì)算出彈性塑性應(yīng)力矢量。
為補(bǔ)充有限元計(jì)算的‘線性’結(jié)果，依據(jù)目的，上述步驟在Post-Processing-程序中執(zhí)行，該程序從FE-程序存儲(chǔ)器中讀出伸長(zhǎng)和應(yīng)力的‘線性’數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理成所求的非彈性結(jié)果。在各向同性Neuber定則的情況下，這是現(xiàn)有技術(shù)。通過將上述兩個(gè)‘校正系數(shù)’加入疊代步驟中，可以非常容易地?cái)U(kuò)展到這里所介紹的各向異性Neuber定則上。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)定特別是燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備部件高溫彈性-塑性特性的方法，在該方法中，首先確定線性-彈性特性，并在線性-彈性結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過使用Neuber-定則同時(shí)考慮非彈性特性，其特征在于，為考慮特別是通過部件使用單晶材料出現(xiàn)的的各向異性性質(zhì)，使用下列形式修改的各向異性Neuber定則σ‾*dev·ϵ‾*(σ‾*dev)=σ‾*devE‾‾-1σ‾*dev=σ‾epdevE‾‾-1σ‾epdev+σ‾epdev·∂σv,ep2∂σ·αER(σv,ep2σ02)n-1]]>，其中σ*dev＝測(cè)定的線性應(yīng)力的誤差，ε*(σ*dev)＝測(cè)定的線性伸長(zhǎng)，σep＝估計(jì)的非彈性應(yīng)力σv，ep＝Hill彈性-塑性比較應(yīng)力 ＝剛性逆方陣ER＝基準(zhǔn)-剛性σ0＝標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力，以及α，n＝常數(shù)。
2.按權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，為數(shù)值σ*dev和σepdev設(shè)下列關(guān)系式σ‾*dev=D‾σ*2]]>和σ‾epdev=D‾σep2]]>，其中，D為帶有偏差性質(zhì)的長(zhǎng)度l的向量，使用下列方式修改的Neuber定則σ*2=σep2(1+ACαER(Aσep2σ02)n-1)]]>，加入各向異性非彈性校正項(xiàng)A=12[F(Dyy-Dzz)2+G(Dzz-Dxx)2+H(Dxx-Dyy)2+2LDyz2+2MDzx2+2NDxy2]]]>和各向異性彈性校正項(xiàng)C=D‾·E‾‾-1·D‾,]]>其中，F(xiàn)，G，H，L，M和N稱為Hill參數(shù)。
3.按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，該方程式依據(jù)修改的Neuber定則采用疊代法，特別是Newton-疊代解算。
4.按權(quán)利要求1-3之一所述方法的應(yīng)用，該方法用于確定處于循環(huán)性負(fù)荷下的燃?xì)廨啓C(jī)部件的使用壽命。
全文摘要
一種測(cè)定特別是燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備部件高溫彈性－塑性特性的方法，在該方法中，首先確定線性－彈性特性，并在線性－彈性結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過使用Neuber－定則同時(shí)考慮非彈性特性，其特征在于，為考慮特別是通過部件使用單晶材料出現(xiàn)的各向異性性質(zhì)，使用下列形式修改的各向異性Neuber定則
文檔編號(hào)G01N3/00GK1639556SQ03805402
公開日2005年7月13日 申請(qǐng)日期2003年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月8日
發(fā)明者O·貝恩哈迪, R·米克 申請(qǐng)人:阿爾斯托姆科技有限公司