1、熱機械疲勞分析背景

?很多構件長期在高溫條件下運轉。例如，航空發動機葉片的使用溫度高達1000℃，

?高溫對金屬材料的力學性能影響很大

?溫度和時間還影響金屬材料的斷裂形式

發電設備中的渦輪葉片

內燃機部件

2、蠕變

當溫度T >=( 0.3~0.5)Tm（Tm為熔點）時，金屬材料收到恒定載荷的持續作用，發生與時間相關的變形，稱為蠕變。

位錯蠕變(power-lawcreep):

–generally occurs at higher temperature andstress

–atoms and vacancy diffusion allowsdislocations to climb and glide away from obstacles

–Shows strong dependence on applied stress

擴散蠕變：

Lower stresses and higher Th, bulkdiffusion within the grain occurs due to interstitial and vacancy diffusion(Nabarro-Herring)

3、ANSYS nCode蠕變疲勞模型

Larson-Miller

多項式法

實驗數據法

根據Larson-Miller參數和相應的溫度，可以求解破壞的時間

在第n個時間步里，損傷為

在整個持續過程中，總的損傷為

整個進行的載荷循環為

Chaboche

該方法基于Rabotnov (1958) 和Kachanov (1969), Chaboche 和Lemaitre (1978,1981)的研究工作提出的，器損傷增量方程：

D-損傷參數；

A,r,k-與溫度相關的材料參數，可以通過不同的應力水平進行蠕變斷裂測試獲得

Chaboche

Chaboche

If both the stress and temperature areconstant, a straightforward equation forthe time to rupture is derived byintegrating Equation 1.

A和r是恒定溫度下的數值，如果在測試過程中溫度是變化的，則需要采用插值獲得A和r。Ncode中使用對數插值方法來獲得變化溫度的A和r。

對于時間序列載荷譜，可以根據時間歷程數據，直接計算損傷。如果內部的樣本時間增量非常下，則對于應力sigma的損傷增量為

累計時間當前的總損傷為D=D+ΔD,這個過程連續重復進行，需要在整個時間序列載荷譜中進行循環，直到D=1，材料發生斷裂破壞。

以上這種損傷計算方法效率非常低，對于較長時間的載荷譜需要進行對其優化，優化假設非線性損傷指數k不隨溫度變化而變化，基于該假設，則

為了計算蠕變疲勞循環次數，則

則總體蠕變失效時間

其中Duration，1小時內的載荷譜信號長度，假設該信號是重復的

載荷譜的樣本點

優化后的算法，實際上只使用了N-1長度的時間歷程，因此是在對數算法中，因此還是可以大大提高計算速度和效率。此外，優化后的算好還可以考慮壓縮修復的影響

D(tension)-拉伸損傷；D(|compression|)-壓縮損傷；h-修復系數，取值范圍-1到1

4、工程實例：波紋結構的熱-機耦合疲勞計算

材料為不繡鋼，熱邊界如圖所示，結構計算中使用兩個載荷步，第一個載荷步為熱應力；第二個載荷步為機械壓力載荷。

在波紋結構外側施加圓柱約束，釋放軸向約束；在波紋結構的一側底面施加無摩擦支撐約束。載荷步為恒定幅值。

熱邊界：在內空施加下圖所示的溫度曲線

熱邊界：在外表面施加下圖所示的溫度曲線

在圖示位置施加恒定5MPa壓力

在圖示位置施加圓柱支撐和無摩擦支撐邊界材料為結構鋼。

蠕變計算材料使用下圖所示材料