越来越多的行业的部件需要在机械和热负荷下运行,这些荷载影响部件的整体耐久性和使用寿命,通常是故障的主要原因。准确预测失效位置和失效循环次数,需要一种高精度捕捉系统对热负荷和机械负荷响应进行处理。本文着重介绍了Ansys高精度、无缝的工作流程可以解决机械疲劳固有的多物理问题的方法。

 

为什么热机械疲劳是热点?

 

推动轻量化、提高效率、减少排放、增加功率密度和实现可变用途,导致航空、电力、运输和电子行业组件的占空比面临挑战。例如,在火力发电领域,先进的超超临界电厂一直是人们关注的焦点,这些发电厂的设计目的是显著提高效率,同时减少排放,以满足严格的标准。标准要求这些电厂在760℃的最高蒸汽温度和高达350bar的压力。

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1说明了峰值蒸汽温度是如何随着火力发电厂技术的进步而变化的。由于可再生能源对电网的贡献越来越大,这些发电厂的负荷系数预计也会变化很大。电力工业中的传统合金如含铬和钼的铁素体合金(如P91/T91)不能满足这些条件的设计要求。为了满足设计要求,在关键区域使用更昂贵的耐热镍基合金。

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2说明了如何需要新的耐热合金满足这些电厂所需的蠕变特性。在设计锅炉、涡轮机、阀门和管道等部件时,工程上的挑战是在满足该部件的所有功能规范的同时,尽量使用这些昂贵的材料。另一个挑战是了解这些新材料在这些操作条件下以及在不同的使用情况下的行为,例如不同的启动和关闭速度、负载的变化、紧急情况等等。类似的工程难题也出现在交通运输领域工业,如气缸、排气歧管等部件,涡轮增压器看到高温和机械负荷变化,可能导致热机械疲劳。对于电子元件,电子封装的功率密度增加,加上它们在恶劣环境中的使用增加,通常会导致热机械疲劳。

 

 

工程团队如何设计和测试热机械疲劳?

 

热机械疲劳的设计和试验可分为

以下步骤:

1.确定工作循环和工作范围

了解部件按预期工作的占空比的数量和类型,这些条件说明了零件的机械和热负荷类型。在某些情况下,占空比的类型也可能是设计过程的输出。例如,电厂的启动和关闭顺序可能受到热机械疲劳的限制,其中限制是指部件在故障前所剩的循环次数。

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3 内燃机占空比

2.材料选择

为部件的不同部分选择合适的材料,使热机械疲劳最小化。耐热合金能够使这些部件承受较高的温度下工作。表征这些合金在不同载荷和条件下的行为很重要。

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3 MTS Landmark®测试系统用于热机械疲劳(TMF)测试。

3.功能与寿命设计

工程师必须设计一个部件,在给定操作参数和工作循环范围的情况下,实现其预期功能。这将是一个不同的权衡,比如力量和重量。

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4 典型的TMF试 圆形试样的TMF试验,采用感应加热、主动风冷和高温引伸计。

 

4.寿命测试

这通常涉及到使用“构建和破坏”的方法来确定组件寿命的物理测试。然而,这种方法是极其昂贵,限制了一个工程师在一个设计周期的测试次数。因此,该组件要么过度设计或成本很高。

 

仿真对加速该系统的设计和测试起着至关重要的作用。让我们详细研究一下是如何实现的。

 

一切都从材料特性开始。

 

对于材料特性,人们希望通过在各种条件下对试样进行物理测试来确定材料的行为:

 

1.不同的温度。一般在室内进行测试,温度达到最高工作温度,但探索高温对于了解在温度异常情况下可能发生的情况很有价值。

 

2.不同的应变范围。在不同应变范围内循环至失效,表示塑性开始的时间,以及加工硬化与运动硬化的程度。这也有助于了解材料是否具有非掩模硬化行为,在这种情况下,硬化量取决于材料先前暴露的应变范围。

 

3.不同的应变率。大多数金属合金表现出显著的速率行为,接近或超过同系温度的一半(合金的绝对熔化温度)。因此,对于相关的温度,样本的循环是在不同的应变率下完成的——通常是从几秒到几百秒的循环周期。

 

4.不同的停留时间。在高温下,这些合金显示出应力,由于多种机制引起的弛豫:由于热激活、新的晶粒形成和不同的蠕变机制,位错更容易移动。

 

5.热应变和机械应变的不同相:金属合金当热应变和机械应变处于-相位(IP)与异相(OP)。

 

6. 不同的环境:材料在现场的表现如何或者缺氧。例如,确定空间组件的热机械疲劳可能需要在惰性环境中进行测试。

物理测试通常需要几个月的时间,结果是100多个测试,其中样本测试失败。这项测试也有助于了解材料在不同条件下的特性。

所有这些都是通过在测试时对材料的试件进行广泛的测试来完成的,可小心控制机械和热负荷变化。试样的加热通常是通过电感应完成的,而冷却则是通过流体通过空心试样的强制对流完成的。

虽然物理测试结果能让我们很好地理解一个材料的小样本在不同条件下的行为,但它们并不能告诉我们如何根据这些信息来设计组件。

因此,模拟热机械疲劳的第一个重要步骤是确保材料的行为符合数值试验的预测。构件中应力应变随时间和空间的非线性变化决定了构件的寿命。因此,为了能够预测整个构件的真实应力和应变历史,必须以高精度捕捉材料特性。

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5 热机械疲劳(TMF)材料特性的典型试验和输出曲线。

Ansys最新的非线性材料模型有助于高精度地捕捉这些行为。

与应力通常在弹性极限内的高周疲劳不同,低周疲劳主要由非弹性应变控制。因此,准确捕捉这些应变是很重要的,因为它们将决定组件中应力水平的准确性。准确的应力和应变是大多数寿命预测模型预测低循环寿命的先决条件。

非弹性应变主要发生在晶粒内部以及非晶晶粒之间。根据材料所见的温度,这些效应是速率相关的。

在低于同系温度一半的温度下,速率效应并不重要。在这种情况下,材料的行为可以用经典的速率无关塑性理论来模拟。合金的循环试验将揭示各向同性硬化(加工硬化)和运动硬化的延伸。

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6 典型的循环各向同性硬化行为

如图6所示,在稳定前循环初始阶段的较低温度下,各向同性硬化表现得更为显著。该行为是非线性的,在循环上是渐近的。

使用以下公式,Ansys非线性各向同性建模可以有效地捕捉这种行为:

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通常,在这些应用中,R0值取零,以便加工硬化渐近线和最大峰值应力,仅由于各向同性硬化就可以达到σ+R.o

运动硬化捕捉了鲍辛格效应,屈服面中心随塑性应变而移动;该中心代表系统中的背应力。在这些合金中,这种移动具有明显的非线性行为,并且-类似于加工硬化-具有屈服面可以移动的限制面。这种运动硬化对塑性应变的非线性依赖(遵循阿姆斯特朗-弗雷德里克定律)是通过增加任何附加塑性应变的背应力来捕捉的,同时使其成为使曲线非线性的当前背应力值的函数。

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7 利用阿姆斯特朗-弗雷德里克定律进行非线性运动硬化

在这个应用所考虑的材料集合中,这个非线性背应力演化曲线通常有三段。第一部分是屈服后背应力的迅速上升,然后是曲线的平滑圆化,类似于弯曲的膝盖,然后是几乎最线性的部分,随着较大的塑性应变而轻轻地反射。

AnsysChaboche模型(本质上是Armstrong-Fredrick模型的多层)的实现能够准确地捕捉这些特性。背应力增量公式如下:

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从这个方程中可以看出,所产生的背应力可以加成多层。通常,Chaboche模型中的三个层被认为捕获了前面解释的非线性行为,如图8所示。第一层有相对较高的C1Y1来捕捉陡坡,其次是较低的C2Y2来捕捉曲线的四舍五入,然后是C3值,该值表示曲线的最终线性斜率,具有非常名义Y3值,用于在大塑性应变下渐近线化曲线的最终部分。

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8 Chaboche模型中背应力张量的加性分解。

在低于同系温度一半的温度下,速率效应并不重要。在这种情况下,材料行为可以用经典的速率无关塑性理论来模拟。合金的循环试验揭示各向同性硬化(加工硬化)和运动炭化的程度。

Chaboche参数通常是基于零平均应力的应变控制循环试验来确定的,这就防止了棘轮效应的出现。然而,当部件经过一个工作循环时,不同的点可能会围绕不同的平均应力值循环,并且局部可能会看到棘轮效应导致的塑性应变的严重累积。如果计划通过求解多个占空比来捕捉棘轮效应引起的塑性应变的累积,则Chaboche模型几乎线性层。

例如,在三层Chaboche模型中,Y3的值将决定一个人是否会看到安定(Y3=0)与线性棘轮(Y3=一个小正值)。在应变控制循环试验中,几乎线性层Y值的微小差异的影响是不可区分的。它们需要通过在不同平均应力或不同应力比下进行棘轮试验来校准。

在应变控制循环试验中,几乎线性层Y值的微小差异的影响是不可区分的。它们需要通过在不同平均应力或不同应力比下进行棘轮试验来校准。速率效应开始显示接近或超过同系物温度的一半。在这些温度下,热激活可以产生类似缺陷的机制离开飞机。然而,应变率的相对时间尺度使用时会引起位错堆积,通过热激活可以避免位错堆积。这是通过粘塑性模型捕捉到的,它本质上遵循了所谓的过应力模型。该模型的特点是在很低的塑性应变率下遵循率无关塑性,应力位于屈服面。然而,在较高的应变速率下,应力可能位于屈服面之外,但随着应变速率的降低,应力将以无符号的方式返回屈服面。此外,根据应力水平的不同,应变率的应力下降速率可能会发生显著变化。

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9 在两个应变率之间移动时的粘塑性效应。

9显示了材料在两种不同应变率下交替加载时的粘塑性效应。Ansys推荐的粘塑性模型forTMF模拟是EVH模型,其公式如下:

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这种EVH模型具有多层结构,可以捕捉不同应力水平下的粘塑性行为。

另一种在高温下出现的速率效应是,当背应力在晶界处表现为微应力时,在高温下保持一段时间后发生扩散和释放。这会导致屈服面的中心随时间而回落到初始状态。这种下降是非线性的,是背应力本身的一个很强的函数。

这种速率效应是通过在AnsysChaboche模型中启用静态恢复项来捕捉的。这些术语的表述如下:

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为了能够确定静态恢复项的系数,不仅要考虑应力应变空间中的实验数据,还要考虑应力时间空间。对于镍基D230合金,高温(850摄氏度)下的应力松弛如图10所示。有多种影响会导致应力松弛(粘塑性、静态恢复、低应力蠕变),因此在对其进行试验时应小心。

热机械疲劳分析热机械疲劳分析 

10 镍基合金230850℃时的应力降

在长时间停留期间,非弹性应变可能是由于扩散蠕变等机制产生的,而应力水平可能在屈服面内。在这种情况下,还需要激活Ansys的蠕变模型。

Ansys具有多种蠕变模型,它们都与上述模型相兼容。作为算例,给出了AnsysNorton蠕变模型在这里:

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上述模型集捕捉了组件在经历不同热负荷和机械负荷时材料的力学行为。

如前所述,根据几个参数(温度、时间尺度、荷载类型),上述模型中的一些可能占主导地位,而有些可能对材料的性能影响不大。

11是一个快照,显示了如何根据在Ansys中进行的模拟来决定材料模型的组合以表征材料。

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11 疲劳材料模型组合决策树

 

找到这些材料模型对100+组测试曲线的系数本身就是一项研究。通常,人们会使用上述材料模型创建一个单一元素的虚拟测试设置,并用实验数据来寻找拟合的程度。这通常是通过使用在每种类型的测试中占主导地位的影响更大的洞察来完成的。也可以使用AnsysDesignXplorer优化器来研究潜在的候选集。

一旦对材料进行了表征,下一步就是研究组件在工作周期中的经历。如果我们模仿现实

总的来说,我们必须在很长一段时间内解决潜在的问题,这是不实际的。或者,可以使用工业上广泛使用的加速测试技术,这将大大减少这一时间。然而,这也将是计算上的困难。工业上的做法是采取有代表性的循环方法。从本质上说,这意味着可以通过一个占空比来检查部件的经验,在部件的使用寿命期间(通常在使用寿命周期的中期),并查看在该周期中发生的损坏来计算寿命。因此,调整寿命模型,使该周期表示的损伤与每个周期看到的平均损伤相匹配。此外,所描述的材料特性也与材料在此占空比下的行为有关。

为了模拟此占空比的条件,必须将此部件置于热负荷和机械负荷下,因为它在循环。本质上这是一个多物理瞬态问题。这是必须的我们准确地捕捉热瞬变,因为这将确定系统中的温度梯度,进而确定系统中的热应力。在结构方面,捕捉惯性效应不那么重要,我们可以在不考虑惯性效应的情况下,在某个时间点捕捉温度梯度引起的应力。利用有限元分析软件Ansys,可以综合考虑热流的各种机理,求解高精度的温度分布。例如,使用Ansys CFD产品可以研究详细的共轭传热,其中考虑了所有的流体效应和热效应。例如,这包括最先进的模型,包括燃烧、湍流、多相、辐射等,以捕捉可能影响热溶液的所有元素。或者,可以在Ansys Mechanical中进行更简单的热分析,我们不求解流体流动,但假设流体界面处有一些传热系数(也可以从CFD模拟中获得)。

通常,虽然我们只想捕捉一个周期,但我们至少要进行三个周期的热分析,以获得周期性的重复热解。如前所述,将这些热解温度映射到静态模拟上,以获得占空比的非线性应力应变变化。虽然在结构模拟中没有考虑惯性效应,但需要记住,与子相关联的时间对于材料模型的速率相关项是有意义的。

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12 求解热机械疲劳的Ansys工作台原理图

12是一个典型的工作流程图,显示了三个工作循环热负荷和工作流程图。

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13 排气歧管的热应力结果

如图12所示,在第三个循环中产生的应力和应变用于计算部件中发生的局部损伤,然后可以计算部件的极限寿命和极限位置。不同的行业和客户遵循不同的捕捉裂纹萌生的寿命计算,在某些情况下还试图捕捉预测的裂纹扩展。

Ansys的高精度和流线型热机械疲劳解决方案,用于跨行业部门开发创新设计,使用新材料在苛刻条件下,在更短的时间内。

 

 

 

 

 


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