专利名称：确定由各向异性材料组成部件的弹性－塑性特性的方法以及该方法的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及机械部件特性的分析和预测领域。本发明涉及确定依据权利要求1前序部分所述部件的弹性-塑性特性的方法。
背景技术：
燃气轮机上的部件(工作叶片，导向叶片，内衬等)通常承受很高的负荷，以至于使用寿命有限。预测这种使用寿命对于可靠和经济地设计燃气轮机来说是必要的。
这些部件的负荷由力、高热载荷、氧化和腐蚀构成。机械和热负荷许多情况下在几千个载荷循环后就会导致部件疲劳。这种低循环疲劳在等温情况下通过低循环疲劳试验(LCF＝Low Cycle Fatigue)和在不等温情况下通过热机械疲劳试验(TMF＝Thermal Mechanical Fatigue)描述。
在燃气轮机的设计阶段，计算出由负荷引起的应力。几何形状和/或者负荷的复杂性要求使用有限元法(FE)计算应力。但是，因为一般出于成本和时间原因不可能进行必需的非弹性计算，所以使用寿命的预测几乎只能在线性-弹性应力的基础上进行。大多数情况下只有等温数据(检查延伸的LCF试验)可供使用，因此还必须利用LCF数据进行不等温评价。
在此方面，总对比延伸εv，ep的幅度作为损害(损害定律)的程度使用。如果达到了部件上要求的循环数Nreq，那么部件每个部位上总对比伸长εv，ep的幅度必需满足关系式(a)--ϵv,ep≤ϵaM(Tdam,Nreq).]]>εaM是从等温LCF试验中测定的允许总伸长幅度。它应对不同的温度和循环数确定。损害基础上的温度Tdam必须为温度变化的一个循环适当选择。
如果标准负荷在高温下作用多分钟，那么应考虑到附加的损害。为掌握根据蠕变疲劳和循环性疲劳的损害累加减少的使用寿命，测定带有保持时间试验中的LCF数据。
损害程度εv，ep相当于一个作用循环的伸长程度。这个循环从线性-弹性分析的循环通过修改的Neuber-定则测定。
(b)--σ‾d*ev·ϵ‾*(σ‾dev*)=σ‾epdev·ϵ‾ep(σ‾dev)]]>其中，σ*dev为线性-弹性应力幅度的误差矢量，ε*(σ*dev)为线性-弹性伸长幅度的矢量，σep为总线性-弹性应力幅度的误差矢量以及εep(σdev)为弹性-塑性伸长幅度的矢量。
损害程度εv，ep通过比较假定从总弹性-塑性伸长幅度εep(σdev)中确定。
为测定总弹性-塑性伸长幅度εep(σdev)所需的循环性σ-ε-曲线分析上通过修改的Ramberg-Osgood-关系式表示。
然后可以借助Neuber-定则近似掌握燃气轮机部件(叶片，燃烧室)内出现的非弹性效应。这些效应在结构的使用寿命预测方面必须予以考虑。但迄今为止公知只有各向同性机械特性材料的Neuber-定则(b)。
因为由于其在燃气轮机制造方面特殊的性能，在特别是汽轮机叶片部件上增加使用(各向异性的)单晶材料，所以对于这些部件的设计来说，特别是在确定循环性负荷下的使用寿命方面，提供一种与各向同性材料的情况类似的计算方法是值得追求的。

发明内容
本发明的目的因此在于提供一种方法，用于近似确定单晶材料在高温下的弹性-塑性特性，特别是用于确定由单晶材料制成的燃气轮机设备部件的使用寿命。
该目的通过权利要求1的整体特征得以实现。本发明的核心在于，为考虑特别是通过使用单晶材料产生的部件的各向异性性能，使用下列方式修改的各向异性Neuber-定则σ‾dev*·ϵ‾*(σ‾dev*)=σ‾dev*E‾‾-1σ‾dev*=σ‾epdevE‾‾-1σ‾epdev+σ‾epdev·∂σv.ep2∂σ‾ep·αER(σv,ep2σ02)n-1]]>
在此方面，最好为数值σ*dev和σep使用下列关系式σ‾dev*=D‾σ*2]]>和σ‾epdev=D‾σep2]]>在此方面，D＝[Dxx，Dyy，Dzz，Dyz，Dzx，Dxy]为长度1的向量，DTD＝1，此外具有偏差性，Dxx+Dyy+Dzz＝1。此外，适用关系式σ*·σ*＝σ*2和σep·σep＝σep2，从中得出修改的Neuber-定则，可以下列方式表示σ2*=σep2(1+ACαER(Aσep2σ02)n-1)]]>，加入各向异性非弹性校正项A=12[F(Dyy-Dzz)2+G(Dzz-Dxx)2+H(Dxx-Dyy)2+2LDyz2+2MDzx2+2NDxy2]]]>和各向异性弹性校正项C=D‾·E‾‾-1·D‾,]]>其中，F，G，H，L，M和N为Hill参数。
依据该方法的一优选构成，方程式修改的Neuber-定则利用叠代法，特别是Newton-叠代得以解算。
依据本发明，使用该方法确定处于循环性负荷下的燃气轮机部件的使用寿命。
具体实施例方式
以本发明为依据的材料模型从塑性潜能中推导(1)--Ω=ασ02ERn(σv,ep2σ02)n]]>在这种情况下-ER为‘参考’-刚性。代入ER是为了得到该公式与公知的各向同性情况的公式形式上的相似性。ER依据目的在所研究的材料弹性校正项的数量级中选择，例如ER＝100000Nmm2，-Ω为材料的塑性潜能，从中通过按应力推导计算塑性伸长，
-σ0为‘参考’-应力，依据目的在屈服点的数量级中选择，以及-σv，ep为各向异性的比较应力(见下面)。
塑性伸长然后形成(2)--ϵ‾pl=∂Ω∂σ‾ep]]>从塑性潜能中通过按应力σep局部推导形成塑性伸长εpl。
利用方程式(1)和(2)得出(3)--∂Ω∂σ‾ep=∂σv,ep2∂σ‾epαER(σv,ep2σ02)n-1]]>σv，ep为(各向异性的)比较应力。在本各向异性情况下，可以使用按HILL的比较应力(4)--σv,ep2=12[F(σyy-σzz)2+G(σzz-σxx)2+H(σxx-σyy)2+2Lσyz2+2Mσzx2+2Nσxy2]]]>对于正交各向异性材料的普遍情况来说，应考虑六个因变塑性材料常数F，G，H以及L，M和N(Hill常数)。1＝F＝G＝H＝3L＝3M＝3N的特殊情况产生各向同性材料公知的von-Mises比较应力；两个因变参数F＝G＝H和L＝M＝N的特殊情况产生立方晶体对称性的公式化，在这里对单晶材料(例如CMSX-4)来说值得注意。
从方程式(3)得出(5)--ϵ‾pl=ϵv∂σv,ep2∂σ‾ep]]>加入‘向量’(6)--∂σv,ep2∂σ‾ep=-G(σzz-σxx)+H(σxx-σyy)F(σyy-σzz)-H(σxx-σyy)-F(σyy-σxx)+G(σzz-σxx)2Nσxy2Mσzx2Lσyz]]>和‘比较伸长’
(7)--ϵv=αER·(σv,ep2σ02)n-1]]>对这里值得注意的带有立方对称性的单晶材料使用线性-弹性方程式(8)--E‾‾-1‾1/E-v/E-v/E000-v/E1/E-v/E000-v/E-v/E1/E0000001/G0000001/G0000001/G]]>E，G和v为立方对称(单晶-)材料的三个因变弹性材料常数。
完整的各向异性Ramberg-Osgood材料定律作为弹性和塑性伸长的总数产生(9)--ϵ‾ep=E‾‾-1·σ‾ep+∂σv,ep2∂σ‾epαER(σv,ep2σ02)n-1]]>在这里使用的Neuber定则的变体中，线性弹性值和弹性塑性值的方式修改工作等量(10)--σ‾dev*·ϵ‾*(σ‾dev*)=σ‾epdev·ϵ‾ep(σ‾dev)]]>弹性塑性伸长εep(σdev)从Ramberg-Osgood-关系式中为偏差值(11)--ϵ‾ep(σ‾epdev)=E‾‾-1·σ‾epdev+∂σv,ep2∂σ‾epαER(σv,epσ02)n-1]]>线性弹性伸长ε*(σ*dev)从Hooke定律中以下列方式产生(12)--ϵ‾*(σ‾dev*)=E‾‾-1·σ‾dev*]]>因此得到各向异性的Neuber定则(13)--σ‾dev*·ϵ‾*(σ‾dev*)=σ‾dev*E‾‾-1σ‾dev*=σ‾epdevE‾‾-1σ‾epdev+σ‾epdev·∂σv,ep2∂σ·αER(σv,ep2σ02)n-1]]>这里假设弹性塑性应力与(从有限元计算出的)弹性应力是成比例的。或者换句话说，假设如果从弹性应力σ*向估计的非弹性应力过渡的话，应力空间内的应力方向不变。‘向量’D可以由此确定
(14)--σ‾dev*D‾σ2*]]>对非弹性(估计的)应力来说，现在适用相同的向量(15)--σ‾epdev=D‾σep2]]>由此随即为弹性应力产生(16)--σ‾dev*E‾‾-1σ‾dev*=D‾·E‾‾-1·D‾σ2*=Cσ2*]]>并为非弹性应力产生(17)--σ‾devE‾‾-1σ‾dev=D‾·E‾‾-1·D‾σ2=Cσ2]]>对弹性-塑性比较应力适用(18)--σv,ep2=12[F(Dyy-Dzz)2+G(Dzz-Dxx)2+H(Dxx-Dyy)2+2LDyz2+2MDzx2+2NDxy2]]]>σep2=Aσep2]]>因此方程式(13)也可以下列方式表示(19)--σ2*=σep2(1+ACαER(Aσep2σ02)n-1)]]>，加入各向异性非弹性校正项(20)--A=12[F(Dyy-Dzz)2+G(Dzz-Dxx)2+H(Dxx-Dyy)2+2LDyz2+2MDzx2+2NDxy2]]]>各向异性弹性校正项(21)--C=D‾·E‾‾-1·D‾]]>上述方程式(19)σep2可以像在‘传统的’Neuber定则情况下那样采用叠代法(Newton-叠代)解算。如果σep2测定，那么可以借助D立即计算出弹性塑性应力矢量。
为补充有限元计算的‘线性’结果，依据目的，上述步骤在Post-Processing-程序中执行，该程序从FE-程序存储器中读出伸长和应力的‘线性’数据，并将这些数据进一步处理成所求的非弹性结果。在各向同性Neuber定则的情况下，这是现有技术。通过将上述两个‘校正系数’加入叠代步骤中，可以非常容易地扩展到这里所介绍的各向异性Neuber定则上。
权利要求
1.一种测定特别是燃气轮机设备部件高温弹性-塑性特性的方法，在该方法中，首先确定线性-弹性特性，并在线性-弹性结果的基础上，通过使用Neuber-定则同时考虑非弹性特性，其特征在于，为考虑特别是通过部件使用单晶材料出现的的各向异性性质，使用下列形式修改的各向异性Neuber定则σ‾*dev·ϵ‾*(σ‾*dev)=σ‾*devE‾‾-1σ‾*dev=σ‾epdevE‾‾-1σ‾epdev+σ‾epdev·∂σv,ep2∂σ·αER(σv,ep2σ02)n-1]]>，其中σ*dev＝测定的线性应力的误差，ε*(σ*dev)＝测定的线性伸长，σep＝估计的非弹性应力σv，ep＝Hill弹性-塑性比较应力 ＝刚性逆方阵ER＝基准-刚性σ0＝标准应力，以及α，n＝常数。
2.按权利要求所述的方法，其特征在于，为数值σ*dev和σepdev设下列关系式σ‾*dev=D‾σ*2]]>和σ‾epdev=D‾σep2]]>，其中，D为带有偏差性质的长度l的向量，使用下列方式修改的Neuber定则σ*2=σep2(1+ACαER(Aσep2σ02)n-1)]]>，加入各向异性非弹性校正项A=12[F(Dyy-Dzz)2+G(Dzz-Dxx)2+H(Dxx-Dyy)2+2LDyz2+2MDzx2+2NDxy2]]]>和各向异性弹性校正项C=D‾·E‾‾-1·D‾,]]>其中，F，G，H，L，M和N称为Hill参数。
3.按权利要求2所述的方法，其特征在于，该方程式依据修改的Neuber定则采用叠代法，特别是Newton-叠代解算。
4.按权利要求1-3之一所述方法的应用，该方法用于确定处于循环性负荷下的燃气轮机部件的使用寿命。
全文摘要
一种测定特别是燃气轮机设备部件高温弹性－塑性特性的方法，在该方法中，首先确定线性－弹性特性，并在线性－弹性结果的基础上，通过使用Neuber－定则同时考虑非弹性特性，其特征在于，为考虑特别是通过部件使用单晶材料出现的各向异性性质，使用下列形式修改的各向异性Neuber定则
文档编号G01N3/00GK1639556SQ03805402
公开日2005年7月13日 申请日期2003年2月21日 优先权日2002年3月8日
发明者O·贝恩哈迪, R·米克 申请人:阿尔斯托姆科技有限公司