背景简介

发电厂、燃气轮机以及汽车工业的零部件通常会在高温下面临波动负载。在这种恶劣的工作环境下，由于机械载荷和热载荷的交互作用，导致材料性能的退化速率加快。因此，需要研究此类不利条件对零部件的影响，以确保其安全性。高温循环载荷通常会同时引起蠕变和疲劳，这种现象被称为蠕变-疲劳交互作用（CFI）。此外，机器零部件可能在微观层面或宏观层面上预先存在裂纹，这些裂纹可能会在恶劣的工况下扩展。因此，蠕变疲劳条件下的寿命评估对于避免部件失效的发生至关重要。

为了预测蠕变疲劳条件下的寿命，目前已经建立了多种蠕变疲劳交互作用损伤模型，用于预测在不同保载时间下蠕变疲劳裂纹扩展(CFCG)的寿命。其中，连续损伤力学-有限元方法(CDM-FEM)主要用于进行蠕变疲劳裂纹扩展模拟。文献表明，虽然可以使用CDM-FEM框架进行CFCG模拟，但为了获得裂纹尖端附近的裂纹特征，需要非常精细的网格。近年来，CDM已与扩展有限元法(XFEM)相结合，其可以使用较粗的网格预测含裂纹部件在弹性、塑性、蠕变、高周疲劳和低周疲劳条件下的剩余寿命。然而，CDM-XFEM方法并未用于CFCG模拟。因此，本文提出了一种基于损伤力学和XFEM的框架，用于预测含裂纹部件在蠕变疲劳环境下的剩余寿命。

成果介绍

（1）本文提出了用于执行CFCG模拟的CDM-XFEM框架。在该框架中，使用XFEM在域中引入裂纹，通过XFEM模拟确定裂纹试样的应力-应变状态，结合CDM计算部件的寿命。此外，通过正则化方案降低了网格敏感性。进行裂纹扩展计算时，通过线性插值的方法，从附近的高斯点计算周向点上的应力三轴度。计算应力三轴度最高的周向点决定了裂纹扩展的方向，如图1所示。

图1 寻找裂纹扩展方向的示意图

（2）图2中对比了模拟结果和实验结果。结果表明，本文提出的CDM-XFEM框架计算的CT试样蠕变疲劳寿命与试验结果非常接近。不同保载时间条件下的实验和预测蠕变疲劳裂纹扩展寿命的比较如图2(b)所示，预测的蠕变疲劳裂纹扩展寿命均处于1.3倍误差带内。因此，所提出的损伤力学XFEM方法可用于预测不同保载时间下的蠕变疲劳寿命。

图2 （a）CT试样示意图;（b）不同保载时间下CT试样的模拟和试验CFCG曲线的对比结果;（c）试验与预测的CFCG寿命对比

（3）考虑在应力比R=0.1、保载时间180s的情况下，对P_max=2600 N的四点弯曲试样进行混合模式CFCG模拟。四点弯曲试样的几何结构和边界条件如图3(a)所示。模拟裂纹路径如图3(b)所示，而预测裂纹长度与时间以及裂纹长度与循环次数的关系曲线如图3(c)、(d)所示。因此，所提出的CDM-XFEM方法可以用于预测复杂问题中的蠕变疲劳寿命。

图3 （a）混合模式加载下4点弯曲试样示意图；（b）混合模式载荷下4点弯曲试样的模拟裂纹路径（蓝色线显示模拟结果，灰色线之间的区域是观察到的试验裂纹路径区域）；混合模式载荷下4点弯曲试样的预测CFCG曲线（c）裂纹长度随时间变化曲线，（d）裂纹长度随循环周次变化曲线

致谢

这项工作由新德里DRDO Bhawan航空研究与发展委员会（AR&DB）通过批准号：AR&DB/01/105188/M/I.资助。本文通讯作者：Pandey V B（Department of Applied Mechanics, Indian Institute of Technology Delhi, New Delhi 110016, India）。

本期小编：舒　阳（整理）

杨逸璠（校对）

程　航（审核）

闵　琳（发布）