基于微观单细胞模型镍基单晶合金低周疲劳寿命灰色预测

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1、摘要镍基单晶高温合金具有优良的高温疲劳、蠕变性能，已被广泛用于制造航空发动机涡轮叶片。由于发动机频繁启动、停机产生交变载荷作用，低周疲劳损伤是影响涡轮叶片寿命的主要因素之一。研究镍基单晶高温合金低周疲劳破坏机理及寿命预测方法，一直是国内外学者关注的热点和难点问题。本文以DD3镍基单晶合金材料为研究对象，采用理论分析、数值模拟和试验验证相结合的方法，对镍基单晶合金的弹塑性力学行为和高温低周疲劳性能进行深入研究，在建立镍基单晶合金微观单胞模型的基础上，通过灰色关联分析确定影响低周疲劳寿命的主要因素，并建立灰色GM（1，N）预测模型，研究提高镍基单晶合金低周疲劳寿命预

2、测精度的方法。论文的主要研究工作如下：1、基于镍基单晶合金微观结构特征建立微观单胞有限元模型，并进行单轴拉伸热弹-塑性数值模拟，结果显示基体与沉淀相的交界面处于复杂应力状态，沉淀相的屈服强度高于基体相，疲劳损伤最先从基体相的屈服开始，沉淀相作为增强相提高了宏观单晶合金材料的强度，按复合材料混合物定律计算公式得到的平均应力与单轴拉伸试验应力值基本吻合，验证了单胞有限元模型建立的合理性。2、进行DD3镍基单晶合金薄壁圆筒试样680℃高温多轴低周疲劳试验，分别对宏/微观有限元模型进行了（拉-压、拉-扭）循环加载热-弹塑性应力应变数值模拟，并与试验结果进行比较，结果表明

3、微观单胞模型有限元模拟结果更接近于试验结果。3、基于灰色关联分析方法，利用镍基单晶合金的低周疲劳试验数据，对疲劳寿命影响因素进行了关联性分析，确定了影响疲劳寿命的主要因素。4、基于微观单胞模型，运用灰色理论，建立了灰色GM（1，N）寿命预测模型，采用DD3镍基单晶合金单轴/多轴低周疲劳试验数据对所建立灰色模型进行验证。对预测值进行了残差检验，平均误差均在10%以内，几乎所有单轴和多轴疲劳试验数据分别落在2.6、2.3倍偏差分布带内，表明基于灰色理论建立的单晶合金低周疲劳GM（1，N）寿命预测模型预测精度较高，可用于镍基单晶合金低周疲劳寿命预测，为镍基单晶合金的疲

4、劳寿命预测提供了一种新思路。关键词：镍基单晶合金，基体相，微观单胞模型，灰色关联分析，灰色预测模型IAbstractThenickel-basedsinglecrystalsuperalloyhasbeenwidelyusedtomakebladeofaircraftgasturbinesinChinaandUSindustry.Thelowcyclefatiguedamageofbladesoccursunderfrequentlystart-stopcyclicloadings.Thestudyoflowcyclefatiguedamagemechanism

5、andlifetimepredictionmodelsarealwaysthehotanddifficultproblemsathomeandabroad.Inthispaper,theoreticalmodels,numericalsimulationanalysisandexperimentaltestswereusedtostudythelowcyclefatiguecharactersofDD3nickel-basedsinglecrystalsuperalloy.Amicrounitcellfiniteelementmodelwasfirstlyest

6、ablished,afterdeepinvestigationofthemethodoftheelastic-plasticmechanicalbehaviorandlowcyclefatiguepropertiesofnickel-basedsinglecrystalsuperalloyathightemperature.GreyRelationshipanalyseswerethenusedtofindthemajorfactorofaffectingthefatiguelifetime.AGM(1,N)modelwasbuilttopredictthelo

7、wcyclefatiguelifetimeandtoimprovetheaccuracyoffatiguelifetimeprediction.Themaincontentofthepaperisasfollows,1,Fromamicro-structureviewofpoint,amicrounitcellfiniteelementmodelofsinglecrystalsuperalloywasestablished.Themodelwasthenanalyzedunderthesingleaxialloadings.Theresultsshowedtha

8、tthematrixan