蠕變損傷分析的案例
不同流道布置的平板式固體氧化物燃料電池蠕變損傷研究
由圖中可以看出在交叉流條件下，經(jīng)過 50 000 h 蠕變后所有構(gòu)件損傷均未達(dá)到臨界損傷值，上連接體未出現(xiàn)裂紋。
綜上對同流、逆流、交叉流條件下運(yùn)行 50 000 h后平板式 SOFC 蠕變損傷分析，發(fā)現(xiàn)同流條件下，平板式 SOFC 在運(yùn)行 19 800 h 蠕變后達(dá)到臨界損傷值；逆流條件下，平板式 SOFC 在 24 000 h 蠕變后達(dá)到臨界損傷值，出現(xiàn)裂紋，并且在 48 700 h 后出現(xiàn)新的裂紋；交叉流條件下經(jīng)過 50 000 h 后未達(dá)到臨界損傷值。綜上分析相同工作條件下交叉流相比于同流、逆流損傷更小，使用壽命更久，屬于最佳流道方式。
為進(jìn)一步分析在交叉流條件下平板式 SOFC 裂紋萌生時(shí)間，及使用壽命。圖 12 分析了平板式 SOFC在交叉流條件下蠕變 100 000 h 各構(gòu)件損傷隨時(shí)間變化曲線，可以看出損傷也經(jīng)歷了減速、恒速、加速三個(gè)階段，并經(jīng)過 78 500 h 蠕變，上連接體最先達(dá)到臨界損傷值 0.99，裂紋萌生。
3 結(jié)論
全面考慮了質(zhì)量、動量、熱量、電化學(xué)反應(yīng)等多場耦合的共同作用，對平板式 SOFC 多通道多場耦合下的不均勻溫度場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。詳細(xì)研究了同流、逆流以及交叉流三種氣體流向布置在不均勻溫度下的電池內(nèi)部蠕變損傷及裂紋萌生位置。主要結(jié)論如下。
(1) 對平板式SOFC 不同流道布置下的三維多物理場耦合數(shù)值模型進(jìn)行了計(jì)算，得到了不均勻溫度場分布，發(fā)現(xiàn)不同流道布置下溫度分布存在著顯著差異；逆流條件下溫度最低，交叉流條件下溫度最高，三種流動方式下溫度最小值均出現(xiàn)在氣體入口，最大值出現(xiàn)在氣體流道出口，模擬所得極化曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，證明了模型的有效性。
展開 【CAE案例】化石燃料發(fā)電廠歧管的疲勞蠕變損傷分析
圖4 冷沖擊結(jié)束后的溫度場（℃）
圖5 冷沖擊結(jié)束后的應(yīng)力分布
使用IMPR_TABLE功能以表格的形式輸出關(guān)鍵部位上的累積塑性形變結(jié)果，將兩種設(shè)計(jì)的歧管的累積塑性形變進(jìn)行對比，降溫瞬態(tài)下的塑性變形結(jié)果如圖6所示，與原本設(shè)計(jì)相比，壁厚更薄的歧管疲勞損傷更小，厚度減少20%的設(shè)計(jì)，其使用壽命增加約43%，疲勞損傷計(jì)算結(jié)果見表1。在以后的計(jì)算中將考慮包括蠕變造成的損害。為此，將之前計(jì)算的結(jié)果用于所研究的兩種設(shè)計(jì)，以確定蠕變損傷情況。最終使用疲勞-蠕變相互作用的非線性模型可以在一定的可信度下評估歧管受到該典型負(fù)載時(shí)的壽命。
圖6 減溫循環(huán)期間在塑性最大應(yīng)力的高斯積分點(diǎn)處累積塑性變形（%）
表1 疲勞損傷計(jì)算(Manson-Coffin曲線)
04 總結(jié)
在通用結(jié)構(gòu)仿真軟件中使用VISC_CIN2_CHAB定義的新粘彈塑性行為模型可對部件機(jī)械疲勞與蠕變行為進(jìn)行模擬，從而對其壽命進(jìn)行預(yù)測，為將來重要部件的設(shè)計(jì)與日常維護(hù)提供了新方法。本次模擬結(jié)果表明可以通過降低歧管壁厚的方法降低因冷沖擊帶來的機(jī)械疲勞現(xiàn)象。
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基于ansys渦輪盤蠕變及低周疲勞壽命可靠性分析方法
對于航空發(fā)動機(jī)高溫部件渦輪盤來說，蠕變失效和疲勞失效是其兩種主要的失效模式：在循環(huán)工作條件下，蠕變損傷和疲勞損傷不斷累積，并且蠕變損傷和疲勞損傷存在交互作用。因此，蠕變一疲勞損傷分析就成為渦輪盤壽命預(yù)測的重要組成部分。此外，由于金屬材料在高溫和高應(yīng)力下存在明顯的蠕變變形，從而造成渦輪盤存在應(yīng)力松弛現(xiàn)象，是否考慮應(yīng)力松弛效應(yīng)的壽命預(yù)測可能導(dǎo)致相差幾倍甚至上百倍的差別
基于ansys渦輪盤蠕變及低周疲勞壽命可靠性分析方法.pdf
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蠕變疲勞分析背景
第三階段：加速蠕變階段，直至最終產(chǎn)生蠕變斷裂。
蠕變應(yīng)變率
蠕變應(yīng)變率是應(yīng)力、應(yīng)變、時(shí)間、溫度的函數(shù)：
蠕變損傷中應(yīng)力不需要“循環(huán)”，隨著溫度增加，材料內(nèi)原子受到激發(fā)從而進(jìn)行擴(kuò)散，促使微觀縫隙產(chǎn)生，增長變大。
蠕變損傷評估分析的計(jì)算的起始點(diǎn)都是需要進(jìn)行蠕變測試，蠕變損傷評估方法支持Larson-Miller和Chaboche兩種方法。
1、Larson-Miller方法
Larson-Miller曲線方法使用一系列的“應(yīng)力”和“Larson-Miller參數(shù)”點(diǎn)描繪，如圖1.2所示。
展開 Ansys Workbench蠕變分析
（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
02
Ansys Workbench中蠕變分析設(shè)置
Ansys Workbench中進(jìn)行蠕變分析設(shè)置與普通靜力分析的主要區(qū)別就是材料本構(gòu)設(shè)置和分析步設(shè)置。
第一步：建立分析流程
第二步：設(shè)置材料蠕變屬性
Ansys Workbench中有多種蠕變本構(gòu)模型，如下圖中Creep目錄所示（具體的介紹可參考ansys幫助文檔）。
雙擊Creep下的某一蠕變本構(gòu)模型，在材料屬性欄會增加相應(yīng)的屬性參數(shù)輸入框。
Abaqus蠕變分析（step by step）
事實(shí)上蠕變是非常復(fù)雜的，這里僅給出了abaqus中的簡單流程，足以解決常規(guī)工程問題。
為了簡化塑料結(jié)構(gòu)蠕變問題的計(jì)算(如降低蠕變應(yīng)變與其他非彈性應(yīng)變的耦合程度)，可以將該分析問題分成一個(gè)靜態(tài)加載的過程，然后再進(jìn)行蠕變過程的分析。
1.靜態(tài)加載過程的計(jì)算
靜態(tài)加載過程就是一與時(shí)間無關(guān)的加載過程，使用ABAQUS/Standard時(shí)主要是在中設(shè)置，如圖1所示。
2.蠕變過程的計(jì)算
在通過步驟1的靜態(tài)分析后，結(jié)構(gòu)中將產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力場，接下來可以進(jìn)行蠕變過程的計(jì)算。蠕變過程的計(jì)算主要分為兩個(gè)過程：獲得該結(jié)構(gòu)材料的蠕變模型參數(shù)和建立蠕變分析步。
1) 獲得材料的蠕變模型參數(shù)
目前ABAQUS蠕變模型有三種，分別是Power-law model和Hyperbolic-sine law model。其中Power-law model有兩種形式為Time hardening form和Strain hardening form。其中Time hardening form形式最為簡單，對于簡單的蠕變過程（如蠕變過程應(yīng)力變化范圍不太大）是比較適用的，式(1)為其微分形式：
由于圖2中表征的是蠕變應(yīng)變與時(shí)間和等效應(yīng)力的關(guān)系，故必須對公式(1)積分，積分結(jié)果見公式(2)：
表征材料蠕變特性的三個(gè)參數(shù)確定后，通過ABAQUS/CAE的添加材料的蠕變特性，如圖3所示：
2) 蠕變計(jì)算
由于蠕變是一個(gè)時(shí)間相關(guān)的過程，因此必須計(jì)入時(shí)間。同時(shí)蠕變又是一個(gè)慣性效應(yīng)不明顯的過程，即結(jié)構(gòu)的加速度效應(yīng)不用考慮。針對這些ABAQUS提供了專門針對這一類型的分析步。
蠕變計(jì)算分析步設(shè)置在中完成，見圖4。
其中蠕變應(yīng)變的容差設(shè)置將影響增量步的大小，容差設(shè)的很小，增量步也將降低。
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基于ANSYS Workbench蠕變分析的設(shè)置方法
蠕變分析是指材料相關(guān)的一種屬性，指率相關(guān)性的一種屬性，即隨著是時(shí)間的變化，其靜態(tài)保持的應(yīng)力或者應(yīng)變會發(fā)生變化
其基本原理如下
1.為將材料的率相關(guān)性打開
RATE,ON !
關(guān)于蠕變疲勞分析
1、熱機(jī)械疲勞分析背景
?很多構(gòu)件長期在高溫條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。例如，航空發(fā)動機(jī)葉片的使用溫度高達(dá)1000℃，
?高溫對金屬材料的力學(xué)性能影響很大
?溫度和時(shí)間還影響金屬材料的斷裂形式
發(fā)電設(shè)備中的渦輪葉片
內(nèi)燃機(jī)部件
2、蠕變
當(dāng)溫度T >=( 0.3~0.5)Tm（Tm為熔點(diǎn)）時(shí)，金屬材料收到恒定載荷的持續(xù)作用，發(fā)生與時(shí)間相關(guān)的變形，稱為蠕變。
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對粘彈性材料試件進(jìn)行拉伸蠕變分析，得到試件的蠕變曲線
包括材料屬性，分析步設(shè)置及最后得到的蠕變曲線。
【資料】ansys蠕變分析
ok
基于ANSYS經(jīng)典界面的受拉平板的蠕變分析
大多數(shù)金屬在高溫下都表現(xiàn)出蠕變行為。
所謂蠕變，是指材料在長時(shí)間的恒溫、恒定載荷作用下，持續(xù)發(fā)生塑性變形的行為。
那么如何對蠕變行為進(jìn)行仿真呢？本文給出一個(gè)例子，該例子十分簡單，是對一個(gè)900度下的受拉平板做蠕變分析。
該例子來自于《ANSYS機(jī)械工程應(yīng)用精華50例》的第22個(gè)例子。【（第三版），高耀東，劉學(xué)杰主編，電子工業(yè)出版社，2011.】，本文主要對其加強(qiáng)了顯示部分和講解部分，以便用戶能更清晰地理解其分析過程。
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[問題描述]
一矩形平板，左端固定，右端作用有恒定壓力P=100MPa，平板長100mm，高30mm，材料的彈性模量是2e5MPa,泊松比是0.3，
蠕變方程是：，要分析在900度下，10萬秒后平板的位移情況。
【問題分析】
此問題屬于材料非線性的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。
模型十分簡單，是薄板，平面應(yīng)力問題，創(chuàng)建長方體后劃分網(wǎng)格即可以得到有限元模型.
材料模型：要定義蠕變參數(shù)。
用兩種方式進(jìn)行比較，一種是有蠕變發(fā)生的，一種是沒有蠕變發(fā)生的。
【問題求解】
1. 前處理
（1.1）創(chuàng)建單元類型
/prep7
et,1,plane42
上述命令進(jìn)入到前處理器，并創(chuàng)建了單元類型plane42,默認(rèn)是平面應(yīng)力問題。
（1.2）定義材料模型
mp,ex,1,2e5
mp,prxy,1,0.3
tb,creep,1
tbdata,1,5e-23,7
上述命令首先定義了材料的彈性模量與泊松比，然后定義了蠕變模型，并給定了兩個(gè)系數(shù)。
（1.3）創(chuàng)建幾何模型
rect,1,100,0,30
上述命令繪制一個(gè)矩形。
展開 案例35-無鉛焊接凸點(diǎn)的彈塑性蠕變分析
該示例問題是無鉛焊料凸點(diǎn)經(jīng)受循環(huán)熱負(fù)載的熱力學(xué)分析。
突出顯示了以下特性和功能：
• 使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得隱式蠕變材料常數(shù)。
• 使用蠕變和塑性材料模型模擬粘塑性行為。
• 確定熱載荷引起的累積蠕變應(yīng)變
介紹
蠕變是一種速率相關(guān)的材料非線性，其中材料在恒定載荷下繼續(xù)變形。蠕變是由于長期暴露在不超過材料屈服強(qiáng)度的高應(yīng)力水平下而發(fā)生的。長期受熱的材料蠕變更嚴(yán)重。蠕變應(yīng)變率可以是應(yīng)力、時(shí)間、溫度和中子通量水平的函數(shù)。
在恒定載荷下，單軸應(yīng)變-時(shí)間蠕變行為如下圖所示：
在初級階段，應(yīng)變率隨著時(shí)間的推移而降低，這一階段往往發(fā)生在相對較短的時(shí)間內(nèi)。第二階段表現(xiàn)出相關(guān)的恒定應(yīng)變。在第三階段，應(yīng)變速率迅速增加，直至失效（破裂）。通常，蠕變的初級和次級階段通常是最受關(guān)注的。
在靜態(tài)或瞬態(tài)結(jié)構(gòu)分析中，蠕變可以通過隱式蠕變模型來模擬。與其他蠕變方法相比，隱式蠕變是首選的，因?yàn)樗?jì)算速度更快、更準(zhǔn)確。可以使用不同的隱式蠕變材料模型模擬蠕變的初級和次級階段，如下表所示：
蠕變模型可以根據(jù)可用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇。
倒裝芯片封裝所承受的溫度波動會導(dǎo)致焊點(diǎn)的逐漸損壞。超過一定限度的損壞累積會導(dǎo)致電氣故障。此類失效通常是所用材料之間熱膨脹失配的結(jié)果。失配導(dǎo)致復(fù)雜的變形行為，并與不可逆、溫度和應(yīng)變率或時(shí)間相關(guān)的非彈性特性有關(guān)，從而在焊點(diǎn)內(nèi)和周圍產(chǎn)生粘塑性變形。變形行為可以通過粘塑性材料模型來模擬，也可以通過與塑性材料一起使用的蠕變模型來模擬。
在電子工業(yè)中，熱機(jī)械分析的主要目標(biāo)是模擬焊點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變響應(yīng)，以更好地預(yù)測其使用可靠性。這里提出的問題是使用蠕變和塑性材料模型對倒裝芯片封裝進(jìn)行熱力學(xué)分析。
展開 火電廠蒸汽節(jié)流閥的蠕變損耗計(jì)算及計(jì)算結(jié)果分析
然而隨著高強(qiáng)度的使用，機(jī)組中的蒸汽進(jìn)氣構(gòu)件可能會因此產(chǎn)生蠕變（Creep）損耗，帶來安全威脅。
蠕變（英語：Creep），也稱潛變，是在應(yīng)力影響下固體材料緩慢永久性的移動或者變形的趨勢。它的發(fā)生是低于材料屈服強(qiáng)度的應(yīng)力長時(shí)間作用的結(jié)果。當(dāng)材料長時(shí)間處于加熱當(dāng)中或者在熔點(diǎn)附近時(shí)，蠕變會更加劇烈。蠕變常常隨著溫度升高而加劇。
例如在本次的算例中，在某電廠的節(jié)流閥因?yàn)殚L期處在水蒸氣高溫高壓工作狀態(tài)，產(chǎn)生了一處50mm見方的沖蝕區(qū)域，產(chǎn)生了斷裂裂紋，危害生產(chǎn)安全。為研究蠕變損耗，可以利用code_aster來進(jìn)行建模分析。
因此為了保障生產(chǎn)安全并預(yù)估出更準(zhǔn)確的節(jié)流閥剩余壽命，我們需要對其進(jìn)行數(shù)值模擬研究。
02 研究方案
在該分析中我們的研究對象是長期處于高溫高壓下的節(jié)流閥。具體研究流程如下圖所示：
首先，通過物理實(shí)驗(yàn)得出物性條件：
然后在物性條件的基礎(chǔ)上，通過使用Monkman Grant定理得到蠕變模型。code_aster可以將如上所得模型應(yīng)用到計(jì)算中。
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