1、蠕變與疲勞概念

金屬的蠕變和疲勞是兩個概念，蠕變指的是金屬在高于金屬熔點的0.3倍的環境下工作時候，即使受力的大小不變，其應變也會持續增大，直到最后斷裂。

具體分為三個階段：

①初始蠕變或過渡蠕變，應變隨時間延續而增加，但增加的速度逐漸減慢；

②穩態蠕變或定常蠕變，應變隨時間延續而勻速增加，這個階段較長；

③加速蠕變，應變隨時間延續而加速增加,直達破裂點。應力越大，蠕變的總時間越短；應力越小，蠕變的總時間越長。但是每種材料都有一個最小應力值，應力低于該值時不論經歷多長時間也不破裂，或者說蠕變時間無限長，這個應力值稱為該材料的長期強度。

       然而大家所說的疲勞這兩個字，指的則是熱應力（熱機）的疲勞，以及溫度在其中的影響。通常情況下，蠕變和熱機疲勞往往會同時發生。因此需要將兩種損傷模型（蠕變和熱機疲勞）放在一起進行計算。當然Ncode中以損傷線性累計的形式進行。如圖3和圖4所示的就是熱機疲勞需要的內容，熱應力以及多溫度的SN（EN）曲線。

2、蠕變計算理論與材料

       我想大家已經知道了熱應力疲勞的相關計算理論，它和應力疲勞理論相差無幾。所以我重點強調一下熱蠕變的相關計算理論。

        如圖所示的是Larson-Miller的蠕變模型，現在就這個模型進行講解。我們知道，蠕變極限時間是我們想要知道的一個變量，然而這個變量和應力水平和溫度是相關的，當然材料類型也一定是相關的，但是我們討論的時候都是針對某種特定的材料去討論的。在這個模型中，C是一個材料相關的常數，他一般在20左右。T是工作溫度，tr是極限蠕變時間。左邊的是P參數。大家一定要注意，按照常理來講，我們現在還差一個應力水平這個變量，那么P參數一定是一個和應力相關的量。事實上他的確是一個和應力相關的函數，我們每一個應力水平就對應著一個P參數。

        在知道方程的每一項的含義之后我們共同來探討一下這個方程式如何通過實驗得到的。通常情況下，固定一個溫度，固定一個應力水平就可以得到一個極限的蠕變時間，那么多次重復后，就構成多個多項式，那么根據數據擬合就可以得到C的值和主蠕變曲線。

接下來的損傷計算主要和Miller損傷相差無幾，在這里只放下幾個相關公式并作些簡單的陳述。

        將第一個公式進行變式，就可以得到的如上所述的蠕變極限時間計算公式（這個公式忽略了C這個參數，可能是前一項的值過大），那么對于特定材料來講，每一個溫度和應力水平下都對應于一個極限蠕變時間。這個時間大家可以與應力疲勞損傷計算里面的特定應力下的極限循環壽命進行對比。

        這個公式3的意思就是，材料在特定溫度和應力下工作Δt時間所引起的損傷，我想大家應該很快能反應過來這一點，不再贅述。

        那么這個公式4我想大家一定更熟悉了，尤其是對于已經掌握應力疲勞基本理論的同學們，他就是一個損傷的線性累加。

        那么這個損傷的倒數就是能循環的周期數。這個周期數乘以周期的時間就是這個零件最終的蠕變壽命。

3、蠕變疲勞案例

        在大家都熟悉了這個理論時候我們來進行一下蠕變和熱應力共同交互作用下的蠕變疲勞計算。其中熱應力、溫度等所有的力學量都放在ANSYS Workbench環境下計算。采取圓周對稱模型加無摩擦約束進行旋轉對稱和一般對稱的設置節約計算量

以上是溫度邊界條件和靜力學邊界的施加，其中靜力學主要是添加一個周期200s的循環脈動載荷，溫度分析主要是提供熱應力的計算邊界條件和溫度場數據。

        這個圖所表達的就是熱應力的計算程序，無摩擦支撐是起到一般的對稱作用。溫度和熱應力的計算都采取瞬態并且關閉時間積分效應，因為我們需要的就是時間量。

        計算結束后我們就可以得到下面的結果：

        以上圖片從上到下依次是熱應力、靜力學、溫度場、熱變形。這幾個結果中的前三個將會隨著拖拽的Ncode designlife 模塊而自動添加到Ncode中。

        在Ncode designlife中我們需要施加的并不是和以往類似的時間序列載荷，而是一個混合載荷(Hybrid Load Provider )。這個載荷模型允許我們將溫度和應力進行組合，因為這是必須的，不同的溫度對應著不同的SN曲線。同時，也可以在這個載荷模型當中繼續施加時間序列載荷，當然這個時候就不是用通道的概念來施加了。

Ncode designlife中的設置如圖所示：

載荷的設置如下圖所示：

        共三個載荷，一個常幅值的200s一個周期的脈動循環，一個溫度序列，一個熱應力序列。三個將會一起執行蠕變和熱機疲勞。

計算結果如下圖所示：

最危險的地方發生在頂部和圓角部分，具體的最大損傷和最小壽命如下表所示：