疲勞-蠕變耦合分析的案例
汽輪機轉子蠕變_疲勞耦合壽命精細分析與傳統方法的比較
汽輪機轉子蠕變_疲勞耦合壽命精細分析與傳統方法的比較<BR><Font color=#FF0000><B>.PS.:</B>該帖附件于2006-09-30 15:12:52被誠摯評為3星級，為發貼者加分60。</Font><BR><Font color=#FF0000><B>點評:</B></Font>
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展開 蠕變疲勞案例——壓力容器蠕變疲勞
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。
展開 關于蠕變疲勞分析
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。
fe-safe蠕變疲勞分析
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蠕變疲勞分析背景
蠕變疲勞分析背景
長期經歷高溫狀態下運轉工作的結構，其金屬材料力學性能受高溫影響很大。當溫度超過金屬材料熔點的約0.5倍時（Kelvin），金屬材料受到持續應力的作用，將會發生緩慢的塑性變形的現象，稱為金屬蠕變。工程和冶金行業通常更關注于高應力和高溫度下結構的蠕變失效行為。
恒定溫度下，蠕變的單軸應變與時間的關系一般可分為3個階段，如圖1.1所示。
第一階段：減速蠕變階段，應變率隨時間減小，短時間內完成。
第二階段：恒定蠕變階段，此階段蠕變應變率隨加載時間的延續而保持恒定，具有常應變率。
展開 【CAE案例】化石燃料發電廠歧管的疲勞蠕變損傷分析
圖4 冷沖擊結束后的溫度場（℃）
圖5 冷沖擊結束后的應力分布
使用IMPR_TABLE功能以表格的形式輸出關鍵部位上的累積塑性形變結果，將兩種設計的歧管的累積塑性形變進行對比，降溫瞬態下的塑性變形結果如圖6所示，與原本設計相比，壁厚更薄的歧管疲勞損傷更小，厚度減少20%的設計，其使用壽命增加約43%，疲勞損傷計算結果見表1。在以后的計算中將考慮包括蠕變造成的損害。為此，將之前計算的結果用于所研究的兩種設計，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載時的壽命。
圖6 減溫循環期間在塑性最大應力的高斯積分點處累積塑性變形（%）
表1 疲勞損傷計算(Manson-Coffin曲線)
04 總結
在通用結構仿真軟件中使用VISC_CIN2_CHAB定義的新粘彈塑性行為模型可對部件機械疲勞與蠕變行為進行模擬，從而對其壽命進行預測，為將來重要部件的設計與日常維護提供了新方法。本次模擬結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械疲勞現象。
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展開 基于ansys渦輪盤蠕變及低周疲勞壽命可靠性分析方法
對于航空發動機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測的重要組成部分。此外，由于金屬材料在高溫和高應力下存在明顯的蠕變變形，從而造成渦輪盤存在應力松弛現象，是否考慮應力松弛效應的壽命預測可能導致相差幾倍甚至上百倍的差別
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展開 【7月25-28日 北京】壓力容器靜動強度評定、疲勞斷裂計算、熱應力高溫蠕變分析、結構優化與可靠性
Ansys workbench具有強大的建模和仿真分析技術，并且操作簡單，易于掌握。為了讓廣大分析人員更好地掌握壓力容器的設計與計算技巧，弄清Ansys workbench壓力容器計算原理和操作技巧，特舉辦《壓力容器靜動強度評定、疲勞與斷裂計算、熱應力與高溫蠕變分析、結構優化與可靠性設計》高級培訓。
本專題基于Ansys workbench平臺，立足ASME規范，同時兼顧GB-150和JB-4732壓力容器設計規范，通過大量的理論和工程實例講解，使學員在較短時間內掌握Ansys workbench的使用方法；掌握壓力容器強度、疲勞、斷裂、熱應力和高溫蠕變的Ansys workbench計算原理與計算技巧，弄清壓力容器結構動力學響應、優化設計與可靠性計算原理并掌握其計算技巧。本專題可為壓力容器的計算仿真提供有效、可靠和全面的數值解決方案和技術支撐。詳情請參見“內容大綱”。
二、時間地點
時間：2019年7月25日-7月28日（第一天報到，授課3天）
地點：北京
三、主講專家
該課程講師，副教授，博士畢業于哈爾濱工業大學工程力學專業，擅長工程數值分析，14年仿真分析經驗；仿真領域涉及結構靜、動力計算，結構疲勞、損傷與斷裂，計算流體力學，流固耦合及多物理場耦合數值模擬，轉子及多體動力學，工程傳熱與熱應力計算，爆炸與沖擊力學，Ansys二次開發等。發表學術論文20余篇，其中SCI、EI收錄論文13篇，申請發明專利2項。培訓70多場次，學員上千人。
四、內容大綱
五、報名費用
標準費用：3980元/人，食宿可統一安排，費用自理。
展開 螺栓失效的熱力耦合疲勞仿真分析
△圖7：實驗對比分析結果
經典案例
一、基于熱-力耦合分析的LNG低溫軟管內波紋管的疲勞性能研究
△圖8：軟管內波紋管的疲勞仿真
1、 波紋管熱-力耦合分析（輸送壓力載荷）
Goodman 公式轉換應力曲線的應力幅值：
2、 波紋管在常溫-低溫交變載荷作用下的疲勞性能
利用Basquin公式描述材料的S-N曲線，求在某一應力水平下的疲勞壽命：
3、聚焦波紋管的應力熱點區域，開展結構優化
基于Miner線性損傷累計理論，描述LNG低溫軟管內波紋管在壓力、常溫-低溫循環載荷符合作用下的損傷量：
二、循環載荷下柔性管線接頭鎧裝鋼絲粘結損傷分析
△圖9：鎧裝鋼絲與樹脂粘結有限元模型
1、 疲勞載荷下樹脂溫度的變化
△圖10：樹脂試樣表面溫度變化
2、 疲勞載荷下樹脂彈性模量的變化
△圖11：樹脂彈性模量隨溫度變化關系
3、 樹脂在循環載荷下的損傷累積
展開 熱機蠕變疲勞創建
熱機蠕變疲勞創建
1、搭建nCode DesignLife求解分析模塊工程項目連接，考慮熱與結構分析結果引入，同時可以考慮其他相應的結構載荷，如圖2.1所示。
圖2.1
2、同時修訂DesignLife疲勞分析環境，如圖2.2所示。
圖2.2
3、對于SN或者EN求解引擎，需要配置“FEResultsImport?ResultsSet”細節設置“IncludeTemperatures”為True，熱機蠕變疲勞考慮溫度影響，如圖2.3所示。
圖2.3
4、對于同時考慮熱機蠕變疲勞以及應力或者應變疲勞分析的疲勞計算流程，需要基于SN或者EN疲勞引擎內部二次搭建蠕變疲勞求解引擎，同時允許對于應力或者應變、蠕變損傷分別監測，如圖2.1中DataValue Display Glyph。
5、如前所訴，在應力或者應變疲勞導航樹下需要添加熱機蠕變疲勞所對應的材料、載荷通道、求解引擎、計算處理輸出等子項并進行子項菜單配置。
展開 焊點失效的熱振耦合疲勞仿真分析
△圖2：影響微電子封裝可靠性的主要因素
4、 焊點失效的四種模式：
4.1 熱交變應力破壞失效
? 溫度變化
? 材料蠕變損傷
? 變形與裂紋擴展
4.2 疲勞破壞失效
?由振動載荷引起的高周疲勞失效
4.3 化學因素腐蝕破壞失效
? 水分、氧氣其他離子
? 化學反應腐蝕
? 粘結強度等機械性能降低
4.4 動態機械載荷破壞失效
? 跌落、沖擊和振動
? 開裂、脆裂等損傷
研究內容
△圖3：焊點熱耦合疲勞仿真分析內容
1、基本力學參數的獲取
? 調研焊點、焊腳的材料屬性
? 試驗獲取引腳、錫焊、錫焊界面（金屬化合物）的力學性能參數
? 擬合界面相（金屬化合物）材料的本構關系
2、疲勞數據庫的建立
? 通過疲勞試驗建立材料、界面相的疲勞特性曲線
? 建立單個焊點的有限元分析模型
? 加載循環載荷預測焊點的疲勞壽命與失效位置
? 通過與實驗比較，對有限元分析模型進行驗證
△圖4：不同封裝結構下無鉛SAC305焊點的S-N曲線
3、整機仿真模型
一般而言，在有限元模態分析中，系統的固有頻率會隨著網格密度的增加而降低至一個穩定的收斂值，為了找到合適的網格劃分密度，需要對其進行網格收斂性檢查。振動試驗載荷一般有正弦、窄帶隨機和寬帶隨機三種，PCB邊界條件有四角四點固支，端部四點固支，六點固支，中間四點固支以及中間兩點固支。
3.1 有限元模型建模
△圖5：焊點有限元建模
3.2 組件中各層材料參數設置
考慮到振動過程中焊點發生的一般是彈性形變，無需考慮材料的蠕變參數，各組分材料從上往下依次按照模塑料、封裝基板、Cu焊盤(Cu)、焊球(SAC305)、PCB板(FR-4)賦予。
展開 
溫度-應力耦合作用下PTFE壓縮蠕變機理與檢測體系構建
壓縮蠕變測試標準
ASTM E139-11：標準蠕變、應力斷裂試驗方法，適用金屬材料
ISO 204:2018：非金屬材料高溫蠕變測定規范
GB/T 2039-2012：金屬拉伸蠕變及持久試驗方法
ASTM D2990-17：塑料蠕變和蠕變斷裂測試標準
JIS R 1611:2010：精細陶瓷高溫彎曲蠕變試驗方法
壓縮蠕變測試設備
國高材分析測試中心壓縮蠕變試驗機
技術參數：
力值傳感器量程:10KN，1kN;力值傳感器精度:
+0.02%
步進馬達:0.072°/step，旋轉一圈360°走5000步;步進馬達精度:0.05um
光學測量精度:3um;光學系統測量延伸率范圍:30mm-200mm
標記塊安裝架尺寸:10mm*4mm，12.7mm*3.2mm
環境箱溫度范圍:-50℃-250℃
咨詢電話：020-66221668
壓縮蠕變的影響因素
1）溫度
溫度通過改變分子熱運動能量和自由體積，顯著影響蠕變行為（圖 3）：
玻璃態（T < Tg，Tg=157℃）：鏈段運動受限，普彈形變主導，蠕變柔量隨時間變化小，蠕變速率低。
高彈態（T > Tg）：鏈段自由運動，高彈形變迅速發展，蠕變柔量快速趨于平衡，穩態速率低。
玻璃化轉變區（T≈Tg）：鏈段松弛時間與觀測時間相當，蠕變柔量急劇變化，蠕變速率達到峰值。此時，PTFE 的非晶相從凍結狀態轉為活化狀態，分子鏈段的協同運動導致形變敏感性增強。
展開 Ansys Workbench蠕變分析
（圖片來源于網絡）
02
Ansys Workbench中蠕變分析設置
Ansys Workbench中進行蠕變分析設置與普通靜力分析的主要區別就是材料本構設置和分析步設置。
第一步：建立分析流程
第二步：設置材料蠕變屬性
Ansys Workbench中有多種蠕變本構模型，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下的某一蠕變本構模型，在材料屬性欄會增加相應的屬性參數輸入框。
abaqus蠕變分析例子 ￥2
對粘彈性材料試件進行拉伸蠕變分析，得到試件的蠕變曲線
包括材料屬性，分析步設置及最后得到的蠕變曲線。
【資料】ansys蠕變分析
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