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摘 要:本文利用已有的20g热机械疲劳总寿命试验数据,应用有限元分析软件模拟试验条件,对不同试件进行应力应变计算,找出危险部位,通过对危险部位的试验结果、计算数据进行分析,探讨能表征试件热机械疲劳总寿命的参量,并建立用该参量表征热机械疲劳总寿命的经验公式.
关键词:热机械疲劳 总寿命 20g材料 复杂应力状态
中图分类号:TG11 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)05(a)-0102-03
传统的疲劳寿命分析方法有如下缺点:
疲劳破坏几乎总是从结构上具有应力集中的部位开始,疲劳破坏与应力集中部位的局部应力—应变历史有着密切的关系.而传统方法使用的名义应力历史既不能代表应力集中部位的真实应力—应变状态,也不能正确地考虑应力的次序和各级载荷之间的相互作用.因此,它不能反映出疲劳破坏的本质.
近几年,随着有限元分析方法的发展,使得各种弹塑性问题的计算解析变得容论文范文来,因此近十年来发展起一种基于局部应力—应变的分析方法,以构件应力集中部位的真实应力—应变相应来代替名义应力.这种方法克服了传统的名义应力法的缺点.该方法计算的疲劳寿命比用传统的名义应力法计算要精确5倍以上[1].
利用局部应力—应变分析方法评价疲劳寿命大致遵循以下步骤:
(1)用试验测定材料的循环应力—应变特性曲线和应力—寿命曲线,
(2)用有限元计算或用试验测定方法确定构件的载荷—应变特性曲线,
(3)根据载荷—应变特性曲线和循环应力—应变特性曲线进行构件在任意载荷作用下的局部应力—应变响应分析,
(4)根据真实局部应力、应变计算当量应力、应变,选择相应理论计算出疲劳寿命.
本文利用已完成的20g材料热机械疲劳总寿命试验数据,应用Ansys软件对不同试件进行试验条件下的应力应变计算,找出危险部位,通过对危险部位的试验结果、计算数据进行分析,尝试探讨能表征试件热机械疲劳总寿命的参量,并建立用该参量表征热机械疲劳总寿命的经验公式.
1.已完成的试验数据
试验设备:中国科学院金属研究所失效分析中心的MTS880试验机.
试验材料采用20g.试样分两种,一种是光滑圆柱形试样,如图1.1所示,另一种是为带缺口的圆柱形试样,如图1.2所示.
其中,R等于0.75的试件13根,R等于1.5的3根,R等于3的1根.
轴向应变控制,应变幅选取:1.3%、1.4%、1.6%、1.7%、1.8%.
采用两种循环波形,一种是温度和应变同相、无保载的三角形波形,另一种是采用温度和应变同相,上保载的热-机械总应变控制波形,符合取样设备的实际载荷条件,如图1.3所示.
温度为100～480℃的热交变环境.
试验内容和试验结果
2.0℃、480℃材料的单拉性能试验:确定该材料试样为循环硬化材料.
4.80℃材料的循环应力应变性能试验,
热机械循环载荷下的疲劳总寿命试验,
对20g材料试样在100℃-480℃、进行了不同应变幅、不同缺口形式(R等于0.75、R等于1.5、R等于3)、及不同保载时间的热机械疲劳总寿命试验.试验结果如表1.1～表1.3所示.
缺口试样无保载热机械疲劳总寿命
试样缺口形式对热机械疲劳总寿命的影响试验
缺口试样应变幅对热机械疲劳总寿命的影响试验
缺口试样有保载热机械疲劳总寿命
2.ANSYS有限元程序进行试样缺口周围复杂应力状态分析计算
本文所分析试样受力状态为轴对称三维应力状态,因而采用二维轴对称固体元(Plane183),本研究中主要考虑材料非线性,通过对试验结果分析,使用经典的双线性随动强化(BKIN),由于求解蠕变隐式时间积分法更为稳定、快速、精确,本分析采用隐式时间积分法求解蠕变.
由于试样为轴对称结构,外载荷也为轴对称,因此可取试样的四分之一区域进行网格划分,长度取为试样工作长度(即应变规标定长度)的一半(12.5mm),宽度为试样直径的一半(4mm),图2.1为疲劳总寿命试样的有限元网格图.在缺口根部附近,由于应力、应变变化较大,所以划分的网格较为密集,以保证计算的准确性.
加载并求解:采用多载荷步文件加载方式,将一个试验载荷循环分成多个时间步,并保证在一个时间步内缓慢加载,最大的塑性应变增量小于5%.
在每一个载荷步内使用稳态分析,在模型边界上按照试验过程使用函数表格加载,尽量贴近试验中真实载荷情况.
2.1 缺口周围各应力分量及当量应力、应变分布
根据计算结果,利用ANSYS后处理程序(Post1)对计算结果进行后处理,可得到缺口周围的应力、应变分布(图形显示)情况.以R等于0.75,应变幅为1.4%的试件为例,图2.2为热机械疲劳条件下Von Mises当量应力分布的应力等值线图,图2.3～图2.6为Von Mises当量应变和其组成应变(包括当量弹性应变、当量塑性应变、当量蠕变应变)所对应的应变等值线图,同样也可得到其它试样各应力、应变分量及当量应力、应变的等值线图.由这些图可以看出,在单向载荷作用下,在缺口周围产生了三维应力、应变分布.
2.2 试样危险点的确定
由于试样缺口周围所产生的应力、应变为三维应力、应变状态,因此在研究疲劳特性和进行寿命评价时,采用当量应力、应变准则,本文定义循环当量应力,应变幅值最大的节点为危险点,实际上它代表了轴对称试样危险点所在的整个圆环.为了确定危险点位置,查看试件一个循环内的计算结果.
以缺口形式R等于0.75,应变幅为1.4%的试件为例,记录各个计算阶段的应力应变结果.
此试件一个循环周期为90s,将全部加载过程分为180个载荷步,截选1个载荷步计算结果如下图2.7:
从整个循环中的某一个时间上看,应力应变出现最大值的位置并不固定,但从整个循环考虑,缺口底部由于形状的突变,确实是当量应力应变最大的部位.
2.3 危险点应力、应变计算结果
计算可知此载荷循环中的塑性应力、应变占主要地位,而蠕变分量相对较小,这和试验控制条件有关,但也符合取样设备实际操作条件下的材料受载方式.
公式中符号意义:
进入90年代,文献[2]和[3]等采用了带缺口圆柱形试样,进行了复杂应力状态下的当量应变范围方法评价低周疲劳寿命的研究,得到了如下结论,用Von Mises当量应变范围表征疲劳总寿命不受缺口形状和尺寸的影响.
上述的研究结果为用Von Mises当量应变范围准则评价疲劳寿命提供了试验依据,但同时考察应变速率和蠕变—疲劳交互作用等因素对疲劳总寿命的影响时,对试样和构件进行疲劳寿命预测的难度仍然还很大[4～5].
本文将利用当量应变范围、当量塑性应变范围来评价20g材料热机械疲劳总寿命,并将研究用这些表征量来评价该材料热机械疲劳总寿命的可行性,缺口对疲劳总寿命的影响.
3.复杂应力状态下材料热机械疲劳总寿命评价
缺口形式对疲劳总寿命的影响
将三种不同缺口形式试样(R等于0.75, R等于1.5,R等于3)的计算结果整理于同一双对数坐标系中,通过最小二乘回归,可以得到如下的任意缺口形式下的疲劳总寿命评价方程:
参考文献
[1] J.M.Potter,R.A.Noble.A user’s manual for the sequence accountable fatigue analysis computer program.Air Force Flight Dynamics Laboratory,Dayton,Ohio,1974.
应力应变曲线:ARES-G2 唯一实现独立应力和应变测量的流变仪
[2] 王正,张振华,郝俊文等.2.25Cr-1Mo复杂应力状态下低周疲劳裂纹扩展规律评价.石油化工技术,1999,20(1):23～25.
[3] 郭成璧,何雪宏,梁莎丽等.中碳钢三维应力高温低周疲劳寿命的评价.大连理工大学学报,32(2):193～196.
[4] 徐林耀.蠕变疲劳交互作用下工程构件寿命预测.第二届全国高温强度会论文文集,青岛,1988,66～73.
[5] 王连庆等.多轴应力下疲劳蠕变交互作用.北京科技大学学报,1994,16(4):401～404.
总结：此文是一篇应力应变论文范文,为你的毕业论文写作提供有价值的参考。
应力应变曲线引用文献:
[1] 焊接应力与变形方面论文选题 焊接应力与变形论文题目怎么定
[2] 近几年焊接应力与变形参考文献 焊接应力与变形参考文献有哪些
[3] 焊接应力与变形论文大纲模板 焊接应力与变形论文框架如何写
