蠕变 — CAE术语解说

蠕变是指在恒定应力下，应变随时间增加的现象。在金属中，当温度达到熔点的约0.3～0.5倍（绝对温度）时会明显出现。燃气涡轮叶片、核反应堆结构材料、发电站蒸汽管——高温长寿命设备的必需分析。在FEM中，从Norton准则（应变速率 = A×σ^n）等蠕变本构关系开始，通过时间积分来实施。可以用Abaqus的Creep Material或Ansys的Creep Options来定义。

一次蠕变（瞬间）是加工硬化导致速率降低的阶段，二次蠕变（稳定）是硬化和恢复平衡、速率保持恒定的阶段，三次蠕变是组织劣化、微观裂纹导致速率加速直至断裂的阶段。在实际设计中，主要关注二次蠕变速率——Norton准则就是表示这个稳定蠕变的模型。要处理三次蠕变，需要连续损伤力学（CDM）模型，Lemaitre和Chaboche模型被广泛采用。根据预测的是"尺寸变化"还是"寿命"，所需的模型会发生变化。

这就是"蠕变疲劳"问题，是高温损伤最严重的形式之一。燃气涡轮的热启停循环是典型例子——启动时的剧烈温度变化（热疲劳）和额定运行中的高温蠕变叠加在一起。评估时，用线性损伤理论（Robinson准则）来验证蠕变损伤D_c +疲劳损伤D_f≤1是古典方法，但最近也有基于振幅频率的蠕变损伤（ABCD）等更精细的模型在研究中。由于试验数据获取成本高，材料数据的整备往往成为设计的瓶颈。

Norton准则的常数A、n的处理容易出问题。这些参数对温度依赖性很强，需要在使用温度范围内的蠕变试验数据。材料数据手册中的值往往依赖于特定试验条件（环境、晶粒尺寸），要小心。另外，在分析中时间增量的设置很重要，如果单个时间步中蠕变应变增加过大，收敛会恶化。Abaqus的自动蠕变控制（Automatic Creep Controller）可以自动调整步长，但初期设定参数TOLER需要理解并适当设置。

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