[发明专利]一种基于多截面单试样的蠕变本构模型构建方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型的蠕变本构模型构建方法，尤其是一种利用单试样获得多载荷的蠕变性能从而构建蠕变本构模型的方法，属于材料力学性能表征方法领域。

背景技术

金属材料的蠕变行为是导致高温设备发生变形与断裂的主要因素之一，长期服役于高温恒载荷下的设备易发生蠕变失效。例如，核电厂内的蒸汽发生器长期蠕变会引发失效，不锈钢的焊接接头在高温下因受到蠕变的影响而发生大变形失效等。开发新型高效的蠕变实验方法以及本构模型构建方法对于保障高温设备的安全运行具有重要意义。

蠕变本构模型能够定量地表征蠕变应变与温度、应力、时间之间的关系，可以用于高温蠕变设备的设计与寿命预测。传统的蠕变本构模型构建方法需要获得某一温度下多个载荷的蠕变应变-时间曲线。目前国内外蠕变实验研究主要基于单轴恒截面蠕变实验方法。基于这种蠕变实验方法，单根试样仅能获得某温度下单个载荷的蠕变实验结果，若需要某温度下不同载荷的蠕变数据，就需要对不同载荷开展一系列蠕变实验。因此，基于传统蠕变实验来构建蠕变本构模型需要的实验周期长、实验成本高。同时，不同试样之间存在一定差异，并且实验环境以及试样装夹的差异也会对实验结果产生一定影响，从而导致实验结果的离散性偏大。因此本领域急需研发一种高效的蠕变本构模型构建方法，缩短蠕变实验周期，减小蠕变实验成本，提高本构模型的准确性。

发明内容

传统的蠕变本构模型构建过程复杂、需要开展的蠕变实验多、实验耗时长，本发明基于多截面蠕变实验方法提出了一种蠕变本构模型的快速构建方法。该方法具有简单易行，实验周期短，精度高等特点，可以克服传统蠕变本构模型构建方法的局限性。图1列出了基于多截面单试样的蠕变本构模型构建方法流程图。

步骤1：针对传统的单截面蠕变实验方法，单根试样仅能获得单个温度单个载荷的蠕变曲线，实验时间长，实验效率低，提出了一种基于多截面单试样的蠕变实验方法。这种实验方法将试样的平行段分为不同截面的多段，每段有不同的横截面积。如此，当试样受到恒定的载荷时，不同横截面处的应力存在差异。设计的多截面蠕变试样为板型试样，试样的总长度为228mm，其中夹持端的长度为38mm，宽度为30mm，试样的厚度为3mm。夹持端与蠕变测试端之间用半径25mm的过渡圆弧连接。蠕变试样的测试段由4段不同工作截面组成，每段之间用半径为25mm的过渡圆弧连接，每段的平行长度均为20mm，宽度分别为 15mm，13mm，11mm，9mm。

步骤2：试样的整体蠕变变形包含了各截面不同应力下的蠕变变形之和，但是在实验过程中仅能获得蠕变试样的整体变形，不同应力段的蠕变变形量难以直接由实验获得。因此，在蠕变本构模型构建方法中还需要借助反向有限元分析方法实现蠕变本构模型参数的确定。

蠕变本构模型是基于复合的时间硬化模型进行构建，如下所示：

ε＝C₁σ^c2t^c3+1exp(-C₄/T)/(C₃+1)+C₅σ^c6texp(-C₇/T)

其中，ε为蠕变应变，C₁～C₇为材料常数，σ为蠕变应力，t为蠕变时间，T为实验温度。该模型体现了蠕变第一阶段与蠕变第二阶段对蠕变总变形的贡献。

基于反向有限元思想，通过设定的蠕变本构模型参数范围，根据有限元方法获得不同蠕变本构参数组合对应的蠕变变形曲线簇。由于本蠕变模型中含有7个蠕变参数需要确定，本构参数的组合多，计算量大。为了解决这个问题，在分析过程中引入了正交实验方法，对于7因素10水平的组合仅需构建100组蠕变变形曲线簇。

步骤3：采用神经网络计算方法构建蠕变本构模型参数-蠕变变形曲线的关系。需要说明的是神经网络输入的蠕变曲线为其拟合函数形式，相比于大量数据点，使用拟合函数具有简单方便，精度高的优点。

步骤4：输入由多截面单试样蠕变实验获得的蠕变变形曲线至神经网络模型中，即可获得与此蠕变变形曲线对应的蠕变本构模型参数，从而仅需单根蠕变实验即可构建蠕变本构模型，避免了传统方法需要开展大量蠕变实验的不足。

附图说明

图1是基于多截面单试样的蠕变本构模型构建方法流程图

图2是板型多截面蠕变试样图

图3是基于多截面单试样的蠕变实验获得的45000s的蠕变变形曲线

图4是有限元仿真获得的45000s的轴向蠕变位移