棘轮-蠕变交互作用下汽轮机汽缸紧固螺栓失效研究

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1、第35卷第11期华电技术V01．35No．112013年11月HuadianTechnologyNOV．20l3棘轮一蠕变交互作用下汽轮机汽缸紧固螺栓失效研究张淼，袁新勇(华电重工股份有限公司，北京100031)摘要：机组负荷变动和调峰过程中，汽缸的紧固螺栓在非零平均应力的交变载荷作用下会产生棘轮一蠕变行为，因此，对螺栓在棘轮一蠕变过程中损伤的发展进行研究具有重要意义。对镍基合金Nimonic80A材料进行了550cc下单轴棘轮一蠕变试验，并在有限元软件Ansys中嵌入基于AbdelKarim．Ohno运动硬化准则的用户自定义程序，模拟了螺栓的棘轮一

2、蠕变过程。模拟得到的宏观变形量与试验结果一致，在棘轮一蠕变交互作用下，螺栓螺杆处的损伤发展速度大于应力集中的螺纹处，并在此发生断裂。关键词：黏塑性；紧固螺栓；棘轮一蠕变；Ansys；断裂中图分类号：TH140文献标志码：B文章编号：1674—1951(2013)11—0010—030引言1黏塑性本构方程汽轮机汽缸紧固螺栓在机组稳定运行时受蠕变1．1主控方程载荷的作用，而在机组启动、停机和负荷变动过程中本文采用向后欧拉法对损伤本构方程进行离还要附加交变载荷作用，在这种非零平均应力的交散。在小变形范围内，从第子步到第+1子步的时间间隔内，结合等效应力的概

3、念，有如下表达式变载荷作用下，螺栓会发生棘轮行为(棘轮行为是+l=：+l+p+1，(1)指金属材料或结构承受一次载荷并叠加循环载荷时P+l=p+△：+1，(2)所产生的渐进变形，是在应力控制循环加载下的二次变形累积，在应变控制下则表现为应力松弛)，棘=D：(一P)，(3)轮一蠕变交互作用恶化了螺栓的工作环境，加速其损伤速度并且降低了使用寿命1J。△pn+=(华)，(4)传统的棘轮一蠕变寿命评估一般是把棘轮和蠕变分开评估I4J，其中棘轮行为又可分为疲劳和蠕△s：+-√寺卸-，(5)变的叠加，但这类模型只能适应特定形状的试样和材料。20世纪90年代以来，

4、人们在使用统一黏塑暑，㈤性模型评估棘轮寿命方面取得了一定进展，其中：Chaboche，McDowell，Ohno和Wang等人对棘轮现象zat+1=f+1一t，(7)进行了大量的研究，提出了多种多轴载荷下的动态Fyt)=√÷(s·一w)：sWWt)一硬化模型，其中以基于Ohno．Wang模型的AbdelKa—rim．Ohno模型对多轴棘轮的描述较为合理J。1—WQn+l，’(8)一本文对空心螺栓的高温棘轮一蠕变断裂进行研Q+=Q+aQ+=Q+r(。一Q)4P+，(9)究；同时在AbdelKafim—Ohno模型中耦合损伤变量，式中：8，8e川，gP，

5、△：+l'At，分别为迭代过程并在有限元软件Ansys中予以实现。试验和有限元中第n步的总应变、弹性应变、塑性应变、塑性应变计算结果表明：在非零平均应力的交变载荷作用下，增量和时间增量；，l代表屈服面的法线方向；W，损伤断裂部位与纯蠕变断裂部位(螺杆处)不同，发Ws，口。为损伤情况下的应力、偏应力及运动硬化生在有应力集中的第一螺纹处。应力；W为损伤因子；Q为各向同性硬化应力；F+l1为屈服函数；

6、D为弹性矩阵；Ap为累积塑收稿日期：2013—04—02性应变；()为Macauley括号，当括号里的值大于零第11期张淼，等：棘轮一蠕变交互作用下汽轮机汽

7、缸紧固螺栓失效的研究·11·表1550℃下单轴等应变幅控制试验时，()为本身，否则等于零。1．2AbdelKarim—Ohno随动硬化律该随动硬化方程是A—F模型与Ohno—Wang模型的叠加。。“]，其耦合损伤形式为：d口[亏rid一ld,iai如一口日(F㈨)(dhi)]，(10)_L／其中，dAl=deP：_a一f如，0≤≤1，，定方法见文献[12—13]，材料Nimonic80A的参数见表3。式中：，，a，为常数；ds，dp为塑性应变增量和表3Nimonic80A在550oC下的材料参数累积塑性应变增量；()大于零时日((训))=1，参数数值

8、参数数值参数数值否则为零。fl2300．0r189．0(0)220MPa如果Fy㈨<0或dA<0或=1，模型退化为21050．0r240．07A—F模型，而=0时模型退化为Ohno—Wang(I)566．7h20．44．5模型。t4400．0r431．3r11．3损伤方程5353．5r528．3本文损伤变量的演化采用Robotnov方程：§6210，0，641．0(1-，⋯)f7125．0r727．0f883．3／'876．5式中：J2=÷

9、sfIs"(12)在Ansys中嵌入本构模型，对试验过程及结果．su：一f1W一，(13)进行模拟。为了证实模

10、型及参数的可用性，首先对一)3u触u’、J／单轴疲劳试验进行模拟，结果表明，有限元计算结果式中：B，r，k为