本發(fā)明屬于金屬材料棘輪效應(yīng)研究的
技術(shù)領(lǐng)域:
,具體涉及一種316l不銹鋼棘輪效應(yīng)的預(yù)測方法。
背景技術(shù):
:大多數(shù)金屬材料在非對稱應(yīng)力循環(huán)加載過程中會出現(xiàn)一種塑性變形循環(huán)累積的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象稱為棘輪行為,棘輪變形的產(chǎn)生一方面會使材料的塑性變形顯著增加,另一方面也會使材料的疲勞壽命大幅下降,在高溫高壓工況下如化工過程中的壓力容器、核反應(yīng)堆中的管道這種現(xiàn)象尤甚,因此棘輪行為是需要考慮的一個重要安全問題。為了準(zhǔn)確預(yù)測材料在非對稱循環(huán)載荷作用下的棘輪行為,一些學(xué)者對材料的棘輪行為進(jìn)行了廣泛的研究,建立了諸多循環(huán)本構(gòu)模型,但由于棘輪行為的復(fù)雜性,現(xiàn)有的模型均有其優(yōu)缺點。ohno-abdel-karim模型中參數(shù)μ_i作為通過試錯法得到的一個定值出現(xiàn)在本構(gòu)方程中,往往不能精確模擬棘輪應(yīng)變的發(fā)展,直接導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果失真。因此有必要改進(jìn)現(xiàn)有的本構(gòu)模型從而更為合理準(zhǔn)確地預(yù)測材料在非對稱循環(huán)應(yīng)力控制加載條件下的棘輪行為。技術(shù)實現(xiàn)要素:本發(fā)明的目的是為了提供一種316l不銹鋼棘輪效應(yīng)的預(yù)測方法,針對金屬材料棘輪效應(yīng)的研究,通過改進(jìn)本構(gòu)模型并確認(rèn)參數(shù),從而準(zhǔn)確預(yù)測316l不銹鋼棘輪效應(yīng)。為解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明的316l不銹鋼棘輪效應(yīng)的預(yù)測方法所采用的技術(shù)方案為:一種316l不銹鋼棘輪效應(yīng)的預(yù)測方法,包括如下步驟:1)對316l不銹鋼進(jìn)行單軸拉伸實驗,獲得316l不銹鋼材料在室溫條件下單軸拉伸實驗的應(yīng)力應(yīng)變曲線;2)對316l不銹鋼進(jìn)行非對稱應(yīng)力控制循環(huán)實驗,獲得316l不銹鋼材料在室溫條件下非對稱應(yīng)力控制循環(huán)載荷實驗的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)曲線;3)基于統(tǒng)一粘塑性理論,選用ohno-abdel-karim非線性隨動硬化模型,通過修正原模型中的棘輪參數(shù)μi,使其從一個常量變?yōu)橐粋€與循環(huán)周期相關(guān)的變量,從而構(gòu)建出用于預(yù)測316l不銹鋼棘輪效應(yīng)的本構(gòu)模型;4)基于316l不銹鋼材料單軸拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線和循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)曲線確定本構(gòu)模型參數(shù),將材料在應(yīng)力控制循環(huán)中的平均應(yīng)力、應(yīng)力幅值代入構(gòu)建的本構(gòu)模型中預(yù)測棘輪應(yīng)變;所述316l不銹鋼單軸拉伸實驗的方法是:首先對316l不銹鋼材料進(jìn)行固溶處理,即在1050±50℃保溫60分鐘,然后水冷;然后將材料加工成棒材,進(jìn)行單軸拉伸實驗,記錄應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)并繪出應(yīng)力應(yīng)變曲線。所述316l不銹鋼循環(huán)應(yīng)力控制加載實驗的方法:將316l不銹鋼棒材試樣進(jìn)行應(yīng)力控制循環(huán)加載實驗,具體工況為70±350mpa、70±330mpa、70±275mpa、50±350mpa、10±350mpa,得到各工況下的應(yīng)力應(yīng)變滯回曲線。所述本構(gòu)模型建立的方法為:選用的循環(huán)本構(gòu)模型主要由以下幾部分組成:主控方程、屈服函數(shù)及流動準(zhǔn)則、各向同性硬化與隨動硬化,各部分的具體內(nèi)容分別為:1)主控方程ε=εp+εeεe=d-1:σ式中,ε為總應(yīng)變,εe和εp分別為彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變,d為彈性張量,σ為應(yīng)力張量,k和n為率相關(guān)的材料常數(shù);2)屈服函數(shù)及流動準(zhǔn)則式中,s和α分別為偏應(yīng)力張量和背應(yīng)力張量,q為各向同性變形抗力,為塑性應(yīng)變速率;3)各向同性硬化與隨動硬化各向同性硬化的演化方程:式中,為等效塑性應(yīng)變速率,qsa為各向同性變形抗力q的飽和值,γ為控制各項同性硬化速率的材料參數(shù);隨動硬化的演化方程:采用ohno-abdel-karim非線性隨動硬化模型:ξi與ri為材料參數(shù);h(fi)為heaviside步進(jìn)函數(shù),x<0:h(x)=0;x≥0:h(x)=1;μi為棘輪參數(shù),原本為一個常量,本專利將其修改為一個與循環(huán)周期相關(guān)的變量,通過試錯法求得:式中,為參數(shù)μi的飽和值,為參數(shù)μi的初始值,μb為參數(shù)μi的演變速率,c為循環(huán)應(yīng)力的周期數(shù)。通過修正ohno-abdel-karim非線性隨動硬化模型中的棘輪參數(shù)μi,使其從一個常量變?yōu)橐粋€與循環(huán)周期相關(guān)的變量,從而構(gòu)建出的316l不銹鋼本構(gòu)模型可以更加準(zhǔn)確合理地預(yù)測材料在非對稱應(yīng)力循環(huán)下產(chǎn)生的棘輪應(yīng)變。所述預(yù)測316l不銹鋼棘輪效應(yīng)的方法為:首先確認(rèn)本專利所述本構(gòu)模型需要的材料參數(shù),基于316l不銹鋼材料單軸拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線和循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)曲線,在曲線上截取m個點,每個點對應(yīng)一組σi,σ0則代表塑性應(yīng)變?yōu)榱銜r對應(yīng)的應(yīng)力值,通過如下公式確定材料參數(shù)ξi與ri。然后將316l不銹鋼材料應(yīng)力控制循環(huán)下的平均應(yīng)力、應(yīng)力幅值代入構(gòu)建的本構(gòu)模型中預(yù)測出相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變曲線,依據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線得到該工況下的棘輪應(yīng)變,從而預(yù)測316l不銹鋼棘輪效應(yīng)。有益效果:本發(fā)明的316l不銹鋼棘輪效應(yīng)的預(yù)測方法構(gòu)建出的316l不銹鋼本構(gòu)模型可以準(zhǔn)確合理地預(yù)測材料在非對稱應(yīng)力循環(huán)下產(chǎn)生的棘輪應(yīng)變,對于分析循環(huán)載荷作用下的金屬構(gòu)件的可靠性、安全性、疲勞壽命估測具有重要意義。附圖說明圖1為截取316l不銹鋼單軸拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線上的實驗點;圖2為70±330mpa工況下的預(yù)測應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)曲線;圖3為316l不銹鋼單軸拉伸應(yīng)力應(yīng)變實驗與模擬預(yù)測曲線;圖4為相同應(yīng)力幅值下316l不銹鋼單軸棘輪行為實驗與模擬預(yù)測曲線;圖5為相同平均應(yīng)力下316l不銹鋼單軸棘輪行為實驗與模擬預(yù)測曲線;圖6為本發(fā)明316l不銹鋼棘輪效應(yīng)的預(yù)測方法的流程圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖和具體實施例,進(jìn)一步闡明本發(fā)明,應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍,在閱讀了本發(fā)明之后,本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。1、316l不銹鋼單軸拉伸實驗為獲得316l不銹鋼在室溫條件下的單軸拉伸性能,將材料加工成直徑9.98mm的棒材,進(jìn)行單軸拉伸實驗,記錄應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)用于本構(gòu)模型參數(shù)擬合。實驗條件見表1,實驗材料主要化學(xué)成分如表2表1單軸拉伸的實驗條件實驗材料試樣尺寸應(yīng)變速率溫度實驗設(shè)備316l不銹鋼φ9.98mm0.2%/s室溫wds-100電子萬能實驗機表2316l不銹鋼的主要化學(xué)成分(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)%)crnimomnsipscnefe18.0511.252.5831.4220.710.050.0180.0160.013remained2、316l不銹鋼非對稱應(yīng)力控制循環(huán)實驗將316l不銹鋼棒材試樣進(jìn)行應(yīng)力控制循環(huán)加載,具體工況如表3,a組為相同平均應(yīng)力,b組為相同應(yīng)力幅值,得到各工況下的應(yīng)力應(yīng)變滯回曲線。表3非對稱循環(huán)應(yīng)力控制加載實驗工況3、建立循環(huán)本構(gòu)模型選用的循環(huán)模型主要由以下幾部分組成:主控方程、屈服函數(shù)及流動準(zhǔn)則、各向同性硬化與隨動硬化;各部分的具體內(nèi)容分別為:1)主控方程ε=εp+εeεe=d-1:σ式中ε為總應(yīng)變,εe和εp分別為彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變,d為彈性張量,σ為應(yīng)力張量2)屈服函數(shù)及流動準(zhǔn)則式中,s和α分別為偏應(yīng)力張量和背應(yīng)力張量,q為各向同性變形抗力,為塑性應(yīng)變速率,k和n為率相關(guān)的材料常數(shù);3)各向同性硬化與隨動硬化各向同性硬化的演化方程:式中,為等效塑性應(yīng)變速率,qsa為各向同性變形抗力q的飽和值,γ為控制各項同性硬化速率的材料參數(shù);隨動硬化的演化方程:采用ohno-abdel-karim非線性隨動硬化模型:ξi與ri為材料參數(shù),可以由單軸拉伸實驗測得,μi為棘輪參數(shù)根據(jù)實驗通過試錯法得到,h(fi)為heaviside步進(jìn)函數(shù),x<0:h(x)=0;x≥0:h(x)=1。所述本構(gòu)模型優(yōu)化的方法:本構(gòu)模型中參數(shù)μi原本為通過試錯法得到的一個常量,本發(fā)明對參數(shù)μi進(jìn)行優(yōu)化,使其成為一個與循環(huán)周期相關(guān)的變量如下:式中,為參數(shù)μi的飽和值,為參數(shù)μi的初始值,μb為參數(shù)μi的演變速率,c為循環(huán)應(yīng)力的周期數(shù)。通過這樣的改進(jìn)使棘輪應(yīng)變增長更加符合實驗趨勢,從而提高棘輪應(yīng)變預(yù)測的精度。4、預(yù)測316l不銹鋼棘輪效應(yīng)首先確認(rèn)本專利所述本構(gòu)模型需要的材料參數(shù),基于316l不銹鋼材料單軸拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線和循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)曲線,在曲線上截取m個點,每個點對應(yīng)一組σi,σ0則代表塑性應(yīng)變?yōu)榱銜r對應(yīng)的應(yīng)力值,如圖1,通過如下公式確定材料參數(shù)ξi與ri。根據(jù)理論公式編寫matlab程序,利用軟件處理材料得到的實驗數(shù)據(jù),準(zhǔn)確高效的獲取本構(gòu)方程中材料參數(shù)。利用此方法求得的316l不銹鋼在非對稱循環(huán)應(yīng)力控制下的材料參數(shù)如表4所示。表4316l不銹鋼的材料參數(shù)然后將316l不銹鋼材料應(yīng)力控制循環(huán)下的平均應(yīng)力、應(yīng)力幅值代入構(gòu)建的本構(gòu)模型中預(yù)測出相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變曲線,依據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線得到該工況下的棘輪應(yīng)變。依據(jù)本專利所述本構(gòu)模型和確認(rèn)的參數(shù),計算并繪出316l不銹鋼材料在70±350mpa、70±330mpa、70±275mpa、50±350mpa、10±350mpa等工況下的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)曲線,如圖2所示70±330mpa工況下預(yù)測的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)曲線,并提取出相應(yīng)的棘輪應(yīng)變??偨Y(jié)多組工況,效果見圖3、圖4、圖5,發(fā)現(xiàn)通過本方法預(yù)測的316l不銹鋼棘輪行為與實驗結(jié)果能夠很好的吻合。當(dāng)前第1頁12