确定由各向异性材料组成部件的弹性－塑性特性的方法以及该方法的应用技术

一种测定特别是燃气轮机设备部件高温弹性－塑性特性的方法，在该方法中，首先确定线性－弹性特性，并在线性－弹性结果的基础上，通过使用Ｎｅｕｂｅｒ－定则同时考虑非弹性特性，其特征在于，为考虑特别是通过部件使用单晶材料出现的各向异性性质，使用下列形式修改的各向异性Ｎｅｕｂｅｒ定则＊＊＊，其中Ａ＝非弹性各向异性校正项，Ａ＝１／２［Ｆ（Ｄ↓［ｙｙ］－Ｄ↓［ｚｚ］）↑［２］＋Ｇ（Ｄ↓［ｚｚ］－Ｄ↓［ｘｘ］）↑［２］＋Ｈ（Ｄ↓［ｘｘ］－Ｄ↓［ｙｙ］）↑［２］＋２ＬＤ↓［ｙｚ］↑［２］＋２ＭＤ↓［ｚｘ］↑［２］＋２ＮＤ↓［ｘｙ］↑［２］］其中，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｌ，Ｍ和Ｎ为Ｈｉｌｌ常数。Ｃ＝弹性各向异性校正项，＊＊＊＝测定的线性应力，＊↓［ｅｐ］＝估计的非弹性应力，＊＝弹性和非弹性应力的向量，＊↑［－１］＝刚性逆方阵，Ｅ↓［Ｒ］＝基准－刚性，σ↓［０］＝标准应力，以及α，ｎ＝材料常数。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机械部件特性的分析和预测领域。本专利技术涉及确定依据权利要求1前序部分所述部件的弹性-塑性特性的方法。
技术介绍
燃气轮机上的部件(工作叶片，导向叶片，内衬等)通常承受很高的负荷，以至于使用寿命有限。预测这种使用寿命对于可靠和经济地设计燃气轮机来说是必要的。这些部件的负荷由力、高热载荷、氧化和腐蚀构成。机械和热负荷许多情况下在几千个载荷循环后就会导致部件疲劳。这种低循环疲劳在等温情况下通过低循环疲劳试验(LCF＝Low Cycle Fatigue)和在不等温情况下通过热机械疲劳试验(TMF＝Thermal Mechanical Fatigue)描述。在燃气轮机的设计阶段，计算出由负荷引起的应力。几何形状和/或者负荷的复杂性要求使用有限元法(FE)计算应力。但是，因为一般出于成本和时间原因不可能进行必需的非弹性计算，所以使用寿命的预测几乎只能在线性-弹性应力的基础上进行。大多数情况下只有等温数据(检查延伸的LCF试验)可供使用，因此还必须利用LCF数据进行不等温评价。在此方面，总对比延伸εv，ep的幅度作为损害(损害定律)的程度使用。如果达到了部件上要求的循环数Nreq，那么部件每个部位上总对比伸长εv，ep的幅度必需满足关系式(a)--ϵv,ep≤ϵaM(Tdam,Nreq).]]>εaM是从等温LCF试验中测定的允许总伸长幅度。它应对不同的温度和循环数确定。损害基础上的温度Tdam必须为温度变化的一个循环适当选择。如果标准负荷在高温下作用多分钟，那么应考虑到附加的损害。为掌握根据蠕变疲劳和循环性疲劳的损害累加减少的使用寿命，测定带有保持时间试验中的LCF数据。损害程度εv，ep相当于一个作用循环的伸长程度。这个循环从线性-弹性分析的循环通过修改的Neuber-定则测定。(b)--σ‾d*ev·ϵ‾*(σ‾dev*)=σ‾epdev·ϵ‾ep(σ‾dev)]]>其中，σ*dev为线性-弹性应力幅度的误差矢量，ε*(σ*dev)为线性-弹性伸长幅度的矢量，σep为总线性-弹性应力幅度的误差矢量以及εep(σdev)为弹性-塑性伸长幅度的矢量。损害程度εv，ep通过比较假定从总弹性-塑性伸长幅度εep(σdev)中确定。为测定总弹性-塑性伸长幅度εep(σdev)所需的循环性σ-ε-曲线分析上通过修改的Ramberg-Osgood-关系式表示。然后可以借助Neuber-定则近似掌握燃气轮机部件(叶片，燃烧室)内出现的非弹性效应。这些效应在结构的使用寿命预测方面必须予以考虑。但迄今为止公知只有各向同性机械特性材料的Neuber-定则(b)。因为由于其在燃气轮机制造方面特殊的性能，在特别是汽轮机叶片部件上增加使用(各向异性的)单晶材料，所以对于这些部件的设计来说，特别是在确定循环性负荷下的使用寿命方面，提供一种与各向同性材料的情况类似的计算方法是值得追求的。
技术实现思路
本专利技术的目的因此在于提供一种方法，用于近似确定单晶材料在高温下的弹性-塑性特性，特别是用于确定由单晶材料制成的燃气轮机设备部件的使用寿命。该目的通过权利要求1的整体特征得以实现。本专利技术的核心在于，为考虑特别是通过使用单晶材料产生的部件的各向异性性能，使用下列方式修改的各向异性Neuber-定则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，最好为数值σ*dev和σep使用下列关系式σ‾dev*=D‾σ*2]]>和σ‾epdev=D‾σep2]]>在此方面，D＝为长度1的向量，DTD＝1，此外具有偏差性，Dxx+Dyy+Dzz＝1。此外，适用关系式σ*·σ*＝σ*2和σep·σep＝σep2，从中得出修改的Neuber-定则，可以下列方式表示σ2*=σep2(1+ACαER(Aσep2σ02)n-1)]]>，加入各向异性非弹性校正项A=12]]>和各向异性弹性校正项C=D‾·E‾‾-1·D‾,]]>其中，F，G，H，L，M和N为Hill参数。依据该方法的一优选构成，方程式修改的Neuber-定则利用叠代法，特别是Newton-叠代得以解算。依据本专利技术，使用该方法确定处于循环性负荷下的燃气轮机部件的使用寿命。具体实施例方式以本专利技术为依据的材料模型从塑性潜能中推导(1)--Ω=ασ02ERn(σv,ep2σ02)n]]>在这种情况下-ER为‘参考’-刚性。代入ER是为了得到该公式与公知的各向同性情况的公式形式上的相似性。ER依据目的在所研究的材料弹性校正项的数量级中选择，例如ER＝100000Nmm2，-Ω为材料的塑性潜能，从中通过按应力推导计算塑性伸长， -σ0为‘参考’-应力，依据目的在屈服点的数量级中选择，以及-σv，ep为各向异性的比较应力(见下面)。塑性伸长然后形成(2)--ϵ‾pl=∂Ω∂σ‾ep]]>从塑性潜能中通过按应力σep局部推导形成塑性伸长εpl。利本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测定特别是燃气轮机设备部件高温弹性－塑性特性的方法，在该方法中，首先确定线性－弹性特性，并在线性－弹性结果的基础上，通过使用Ｎｅｕｂｅｒ－定则同时考虑非弹性特性，其特征在于，为考虑特别是通过部件使用单晶材料出现的各向异性性质，使用下列形式修改的各向异性Ｎｅｕｂｅｒ定则＊＊＊，其中＊↑［＊ｄｅｖ］＝测定的线性应力的误差，＊↑［＊］（＊↑［＊ｄｅｖ］）＝测定的线性伸长，＊↓［ｅｐ］＝估计的非弹性应力＊↓［ｖ，ｅｐ］＝Ｈｉｌｌ弹性－塑性比较应力＊↑［－１］＝刚性逆方阵Ｅ↓［Ｒ］＝基准－刚性σ↓［０］＝标准应力，以及α，ｎ＝常数。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：O贝恩哈迪，R米克，
申请(专利权)人：阿尔斯托姆科技有限公司，
类型：发明
国别省市：CH[瑞士]