1、热机械疲劳分析背景

•很多构件长期在高温条件下运转。例如，航空发动机叶片的使用温度高达1000℃，

•高温对金属材料的力学性能影响很大

•温度和时间还影响金属材料的断裂形式

发电设备中的涡轮叶片

内燃机部件

2、蠕变

当温度T >=( 0.3~0.5)Tm（Tm为熔点）时，金属材料收到恒定载荷的持续作用，发生与时间相关的变形，称为蠕变。

位错蠕变(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

扩散蠕变：

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

3、ANSYS nCode蠕变疲劳模型

Larson-Miller

多项式法

实验数据法

根据Larson-Miller参数和相应的温度，可以求解破坏的时间

在第n个时间步里，损伤为

在整个持续过程中，总的损伤为

整个进行的载荷循环为

Chaboche

该方法基于Rabotnov (1958) 和Kachanov (1969), Chaboche 和Lemaitre (1978,1981)的研究工作提出的，器损伤增量方程：

D-损伤参数；

A,r,k-与温度相关的材料参数，可以通过不同的应力水平进行蠕变断裂测试获得

Chaboche

Chaboche

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

A和r是恒定温度下的数值，如果在测试过程中温度是变化的，则需要采用插值获得A和r。Ncode中使用对数插值方法来获得变化温度的A和r。

对于时间序列载荷谱，可以根据时间历程数据，直接计算损伤。如果内部的样本时间增量非常下，则对于应力sigma的损伤增量为

累计时间当前的总损伤为D=D+ΔD,这个过程连续重复进行，需要在整个时间序列载荷谱中进行循环，直到D=1，材料发生断裂破坏。

以上这种损伤计算方法效率非常低，对于较长时间的载荷谱需要进行对其优化，优化假设非线性损伤指数k不随温度变化而变化，基于该假设，则

为了计算蠕变疲劳循环次数，则

则总体蠕变失效时间

其中Duration，1小时内的载荷谱信号长度，假设该信号是重复的

载荷谱的样本点

优化后的算法，实际上只使用了N-1长度的时间历程，因此是在对数算法中，因此还是可以大大提高计算速度和效率。此外，优化后的算好还可以考虑压缩修复的影响

D(tension)-拉伸损伤；D(|compression|)-压缩损伤；h-修复系数，取值范围-1到1

4、工程实例：波纹结构的热-机耦合疲劳计算

材料为不绣钢，热边界如图所示，结构计算中使用两个载荷步，第一个载荷步为热应力；第二个载荷步为机械压力载荷。

在波纹结构外侧施加圆柱约束，释放轴向约束；在波纹结构的一侧底面施加无摩擦支撑约束。载荷步为恒定幅值。

热边界：在内空施加下图所示的温度曲线

热边界：在外表面施加下图所示的温度曲线

在图示位置施加恒定5MPa压力

在图示位置施加圆柱支撑和无摩擦支撑边界材料为结构钢。

蠕变计算材料使用下图所示材料