背景简介

在550 ℃下，316LN不锈钢在低周疲劳和蠕变疲劳交互实验中表现出动态应变时效和应力松弛等特性。由于循环塑性变形与应变速率、应变幅、保载时间等因素之间的错综关系，表现为动态应变时效效应、塑性应变记忆面效应和应力松弛等一种或多种效应的相互影响，对316LN不锈钢循环塑性本构建模提出了重要挑战。因此，天津大学陈刚教授团队开发了一个准确描述低周疲劳和蠕变疲劳交互条件下循环塑性变形行为的统一本构模型，这对于评估实际服役耐久性和确保设计安全至关重要。

目前对于蠕变疲劳交互模型的研究主要集中在增加静态恢复项上，而对于不同保载时间下的全寿命松弛应力演化没有进一步验证，所以本文在Abdel Karim和Ohno模型验证的基础上修正了静态恢复项，描述了全寿命周期的应力松弛效应。同时，针对全寿命周期下的动态应变时效效应和塑性应变记忆面效应也做了相应的修正。模型全方位考虑了以上影响因素，参数不可避免地增加，所以提出结合经典参数标定和布谷鸟优化理论相结合的参数优化方法，降低模型使用门槛。最终的有限元算例表明，所提出的修正模型在有限元软件中具有良好的应用前景。

成果介绍

（1）在修正后的模型中，引入了一个与累积塑性应变相关的随动硬化系数，用于线性硬化项。与此同时，各向同性硬化和随动硬化系数的演化速率和饱和值与最大塑性应变速率和塑性应变记忆面半径相关联，以描述动态应变时效效应和塑性应变记忆面效应的影响。通过耦合疲劳损伤描述了316LN不锈钢在低周疲劳加载条件下的全寿命周期力学响应（图1）。同时对于不同保载时间和不同应变幅值下蠕变疲劳交互模拟也做了相应的修正，通过耦合疲劳损伤和蠕变损伤描述了316LN不锈钢在蠕变疲劳交互加载条件下的全寿命周期力学响应（图2）。

图1 （a）不同应变率和（b）不同应变幅值的低周疲劳模拟和实验

图2 （a）不同保载时间和（b）不同应变幅值下蠕变疲劳交互模拟和实验

（2）在修正后的模型中，随动硬化系数和静态恢复系数与保载时间关联，描述保载时间对动态应变时效效应的影响。同时在静态恢复项中引入了损伤系数，以模拟整个寿命期间的应力松弛。通过以上所述静态恢复项修正的流程（图3，图4），最终实现了蠕变疲劳交互加载条件下全寿命周期松弛应力精确模拟。

图3 修正静态恢复系数前后全寿命周期应力松弛演化模拟和实验

图4 修正静态恢复损伤系数前后全寿命周期应力松弛演化模拟和实验

（3）提出了基于布谷鸟搜索算法的参数优化计算框架（图5），同时证明了在参数优化中布谷鸟搜索算法较经典遗传算法的优越性，通过算法中Lévy飞行的强大搜索能力，使得模型参数优化时不易陷入局部最优解，能够更好地模拟全寿命周期下的力学行为，并为工程应用奠定基础。

图5 基于布谷鸟搜索算法的模型参数标定流程图

致谢

该研究工作得到了国家重点研发计划项目(No. 2020YFA0405901)、国家自然科学基金项目(No. 12272260、51875398、52205165)和中国核反应堆系统设计技术国家级重点实验室的资助。本文通讯作者：李兵兵，林强（天津大学）。

本期小编：李兵兵（整理）

徐浩波（校对）

王康康（审核）

高　欣（发布）