蠕变-疲劳相互作用
蠕变-疲劳相互作用的理论基础
蠕变-疲劳相互作用
老师，蠕变和疲劳同时发生时情况会怎样？
在高温（钢材350°C以上）下承受循环载荷时，蠕变损伤和疲劳损伤会同时累积。需要考虑两者的综合评估。
ASME NH的线性损伤法则
疲劳损伤$D_f = n/N_f$（Coffin-Manson）＋蠕变损伤$D_c = t/t_r$（时间分数）的总和。ASME NH中通过损伤包络线（蠕变-疲劳相互作用图）规定许用损伤。
总结
蠕变-疲劳相互作用基础
高温疲劳中，“纯疲劳”和“蠕变”同时进行，简单的线性叠加会大幅高估寿命。ASME Boiler & Pressure Vessel Code（Section III，Appendix T）于1974年引入了“蠕变-疲劳相互作用图（Interaction Diagram）”。以纵轴表示疲劳消耗分数Df（＝Σni/Nf），横轴表示蠕变消耗分数Dc（＝Σti/tr），当它们的总和超过设计许用曲线时即判定为失效，这一概念由此确立。
数值解法与实现
FEM
1. 使用Chaboche＋Norton（*VISCO）进行弹塑性＋蠕变分析
2. 从稳定迟滞回线得到$\Delta\varepsilon$→疲劳损伤$D_f$
3. 从高温保持时间得到$\dot{\varepsilon}_{cr}$→蠕变损伤$D_c$
4. 用损伤包络线评估 $D_f + D_c$
总结
时间分数法与应变分数法的区别
蠕变损伤评估方法主要分为两种。①时间分数法（Time-Fraction Rule）：用保持时间ti除以断裂时间tr(σ,T)的比值之和Σ(ti/tr)来量化损伤。②应变分数法（Ductility Exhaustion Method）：根据蠕变应变速率与延展性的比值计算损伤。英国AEA Technology的1998年报告书指出，对于不锈钢316H，应变分数法比时间分数法的预测保守约30〜50%。在核反应堆压力容器设计中，时间分数法采用更多。
蠕变-疲劳相互作用蠕变-疲劳相互作用实践指南
实务检查清单
燃气轮机第一级动叶片设计案例
GE Aviation GE9X（搭载于波音777X）的第一级动叶片采用带TBC（热障涂层）的单晶镍基超合金CMSX-4制造，暴露在燃烧气体温度1700°C以上的环境中。动叶片的蠕变-疲劳寿命分析使用其专用的相互作用图，设计寿命通过叠加起降循环（LCF）和巡航蠕变来评估。大修间隔结合EHM（发动机健康监测）数据决定，典型值约为3000次循环或15,000飞行小时，以先到者为准。
蠕变-疲劳相互作用软件与求解器比较
工具
Abaqus的蠕变-疲劳分析功能
达索系统Abaqus结合CREEP卡片和时间依赖性塑性（PLASTIC with TIME DEPENDENT）来分析蠕变变形。蠕变-疲劳的损伤评估可通过fe-safe（与Abaqus联动的疲劳专用插件）的Creep-Fatigue Interaction（CFI）模块实施。Ansys Mechanical 2024 R1中增加了Creep Fatigue Analysis（CFA）向导，可自动绘制ASME Section III规范的相互作用图。SIMcenter Nastran不支持蠕变，因此在实务中，高温蠕变问题多转向Abaqus/Ansys。
尖端技术
尖端
基于连续损伤力学的蠕变-疲劳统一
连续损伤力学（Continuum Damage Mechanics, CDM）是由Lemaitre & Chaboche（1985年，法国Cachan高等师范学院）发展的框架，将损伤变量ω作为内部变量纳入本构方程。用独立的损伤变量ωc、ωf描述蠕变损伤和疲劳损伤，通过联立求解它们的发展方程，可以自然地表现相互作用。在Abaqus用户子程序（UMAT或CREEP）中实现此模型的案例，已由MPa Forming（2021年东北大学）在Inconel 617的高温疲劳评估报告中提出。