為研究某航空發(fā)動機渦輪盤典型材料粉末高溫合金FGH96高溫下的變形特性,基于Bodner-Partom（B-P）統(tǒng)一粘塑性本構(gòu)理論對其高溫下的力學(xué)行為進行本構(gòu)建模。開展了550℃下的單軸拉伸及低周疲勞試驗,利用Levenberg-Marquardt算法對模型參數(shù)進行了優(yōu)化識別。采用隱式積分算法將本構(gòu)方程離散為差分方程組,推導(dǎo)了一致切線剛度矩陣,為提高積分過程的精度和可靠性,引入以非彈性應(yīng)變增量為度量的積分步長控制策略。通過用戶子程序接口UMAT將B-P模型引入到ABAQUS有限元軟件中進行數(shù)值模擬。結(jié)果表明:高溫下FGH96材料表現(xiàn)出一定的率相關(guān)性及循環(huán)軟化特性,模擬曲線與試驗結(jié)果平均相對誤差在10%以內(nèi),具有較好的一致性,說明B-P模型能夠較好地模擬FGH96合金高溫下的變形特性,驗證了本實驗?zāi)Ｐ团cUMAT子程序的準(zhǔn)確性。 

【文章來源】：材料導(dǎo)報. 2020,34(16)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

有限元仿真應(yīng)力云圖:(a)單軸拉伸，(b)低周疲勞(電子版為彩圖)

通過用戶子程序UMAT接口將B-P模型植入到ABAQUS軟件中，UMAT流程圖如圖1所示。利用表1中的材料參數(shù)，對FGH96合金在550℃下的單軸拉伸及低周疲勞行為進行數(shù)值模擬。幾何模型的約束條件為一端固定，一端受載，采用C3D8R單元對模型進行網(wǎng)格劃分，節(jié)點總數(shù)為384 650，單元總數(shù)為364 536，單軸拉伸模型施加5%的位移載荷，低周疲勞模型施加應(yīng)力控制的三角波。圖2給出了FGH96合金單軸拉伸(1×10-3s-1)和低周疲勞(850 MPa)應(yīng)力云圖。圖2 有限元仿真應(yīng)力云圖:(a)單軸拉伸，(b)低周疲勞(電子版為彩圖)

圖3給出了FGH96合金在550℃時不同應(yīng)變速率(1×10-3s-1、5×10-4s-1)下的單軸拉伸及有限元模擬曲線。從圖3中可以看出，材料在彈性段受應(yīng)變速率影響不明顯，兩組不同應(yīng)變速率下的彈性變形曲線基本重合，而當(dāng)材料進入屈服階段后不同的應(yīng)變速率對材料的形變影響比較明顯，當(dāng)應(yīng)變速率由5×10-4s-1增加到1×10-3s-1時，材料的屈服強度增加了約54 MPa，由此可見，高溫下FGH96合金表現(xiàn)出一定的拉伸率相關(guān)性。采用B-P模型對FGH96合金高溫下不同應(yīng)變速率拉伸曲線進行了數(shù)值模擬，平均相對誤差分別為2.07%(1×10-3s-1)、3.05%(5×10-4s-1)，說明B-P模型能夠準(zhǔn)確地表征該材料在高溫下的拉伸變形特性，同時也能對材料的率相關(guān)行為進行較好模擬。圖4給出了FGH96合金550℃時不同應(yīng)力水平(850MPa、950 MPa)下低周疲勞循環(huán)響應(yīng)規(guī)律及有限元模擬曲線。從圖4中可以看出，隨著應(yīng)力水平的增加，材料的循環(huán)應(yīng)變范圍也增加，穩(wěn)態(tài)滯回曲線面積(即循環(huán)應(yīng)變遲滯能)也相應(yīng)增大，疲勞壽命減小;同一應(yīng)力水平下應(yīng)變范圍隨著循環(huán)數(shù)的增加而增加，表現(xiàn)出明顯的循環(huán)軟化現(xiàn)象。采用B-P模型對FGH96合金高溫下的循環(huán)應(yīng)變范圍響應(yīng)及穩(wěn)態(tài)滯回曲線進行了數(shù)值模擬，循環(huán)應(yīng)變范圍響應(yīng)模擬平均相對誤差分別為1.46%(850 MPa)、1.52%(950 MPa)，說明B-P模型能夠?qū)Σ牧系难h(huán)軟化現(xiàn)象進行準(zhǔn)確模擬。穩(wěn)態(tài)滯回曲線模擬平均相對誤差分別為8.43%(850 MPa)、9.15%(950MPa)，與試驗結(jié)果相比，模擬結(jié)果在加載和卸載終段比較平坦，出現(xiàn)“過方”現(xiàn)象，這是由于B-P本構(gòu)模型運動硬化變量的演化方程中缺少動力恢復(fù)項，使得模型的彈性階段與穩(wěn)態(tài)流動塑性階段迅速銜接[33]。此外，本構(gòu)模型的變形方程中缺少粘彈性變形也會造成遲滯環(huán)加/卸載過渡段出現(xiàn)“過方”現(xiàn)象[36]。因此，需要對B-P模型進行改進，以提高對材料變形過渡段的模擬精度。

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
[1]粉末高溫合金材料的力學(xué)特性及其在渦輪盤上的應(yīng)用研究[D]. 楊治國.南京航空航天大學(xué) 2007
[2]粘彈塑性統(tǒng)一本構(gòu)理論[D]. 馮明琿.大連理工大學(xué) 2000



本文編號：3611572