蠕变模型在复合转盘与厚度变化存在残余应力

文摘

稳态蠕变响应在转盘Al-SiC(粒子)复合线性变厚度进行了使用霍夫曼各向同性和各向异性屈服准则和结果与使用•冯•米塞斯屈服准则/希尔的准则忽视差异产生压力。稳态蠕变行为已经被Sherby蠕变定律描述。材料屈服应力的参数描述的区别从可用的实验结果用于文学。应力和应变率分布开发由于旋转计算。得出应力应变分布有影响的热残余应力的各向同性和各向异性转盘,虽然残余应力对蠕变行为的影响在一个各向异性转盘观察是低于观察到在一个各向同性的光盘。因此,残余应力的存在与不同厚度组合转盘需要关注设计一个光盘。

1。介绍

残余应力显著影响材料的工程性质和结构组件,特别是疲劳寿命,失真,维,耐腐蚀、脆性断裂,等等。出于这个原因,残余应力分析是一个重要的阶段零件和结构元素的设计。热残余应力诱导由于热不匹配之间的金属基体和陶瓷增强金属基复合材料可以传授塑性变形矩阵。热失配菌株也可能经常裂缝基质导致残余应力的松弛。热残余应力的存在可以诱导的不对称复合材料的拉伸和压缩屈服应力。可以减少或消除残余应力退火,通过塑性变形,或者只是让那块在室温下足够的时间。由于对性能的影响,在复合材料残余应力的一些研究,实验和分析。博et al。1)执行稳态蠕变分析正交的旋转盘有恒定的厚度,厚度线性变化,hyperbolically不同厚度。他们用诺顿的幂律描述盘材料的蠕变行为,得出的结论是,通过选择一个最佳配置文件盘,盘的应力和应变率会降低。阿瑟罗和Taya2]研究了热残余应力的大小,确定不同的屈服应力之间的张力和压缩产生的热残余应力。Mishra和Pandey3)声称Sherby本构蠕变模型的作品比诺顿蠕变定律来描述铝基复合材料的蠕变行为。Pandey et al。4)研究了稳态蠕变行为Al-SiCp复合材料在单轴加载条件下的温度范围623 K和723 K之间的不同组合粒子大小(1.7μ14.5米,μ45.9米,μ米)和不同粒子内容(10卷% 20卷%,30卷%),发现细粒度的复合蠕变阻力比,包含粗的。戴维斯和艾莉森(5]调查之间的热膨胀系数的不匹配SiC颗粒和铝合金金属矩阵引起了高密度的位错附近和强化/矩阵接口。矩阵的增强型扩张引起的塑性变形在冷却过程中有一个关联的位错密度的增加。胡和黄6)提出了一个分析方法来预测残余应力的影响一般复合材料的弹塑性行为。模型包含了微观结构参数如纤维形状、取向、分布和体积分数。计算结果表明,残余应力在宏观性质的影响取决于复合材料的微观结构密切相关。耶和华和Shirazi7]研究了加载和残余应力和相关的压力和位移在热塑性旋转圆盘在升高的温度下。Orcan和Eraslan8]研究了应力的分布、位移和塑性应变在一个旋转弹塑性固体圆盘幂函数的变厚度。分析是基于特雷斯卡的屈服条件。通过使用一个变量厚度圆盘塑性极限角速度增加和椎间盘的应力和变形的大小减少。辛格和雷(9)提出了一个新的残余应力屈服准则,在适当的限制减少了霍夫曼山各向异性和各向异性屈服准则,并进行了分析,稳态蠕变在转盘Al-SiCw复合使用这一标准和比较结果用山各向异性屈服准则忽视差异产生压力。辛格和雷(10]研究了热残余应力对稳态蠕变行为的影响的转盘的复合使用各向同性霍夫曼屈服准则,同时描述了诺顿的幂律蠕变。他们得出的结论是,拉伸残余应力的应变率有很大的影响在阀瓣与阀瓣的应变率相比没有残余应力。古普塔et al。11]分析了稳态蠕变在各向同性铝碳化硅颗粒转盘。蠕变行为已经被Sherby定律。作者得出结论,切向和径向应力分布在圆盘不发生显著的变化的各种组合材料参数和操作温度。此外切向和径向应变率在阀瓣明显减少,减少颗粒大小,增加粒子含量,降低操作温度。耶和华et al。12)观察到的使用变厚度圆盘有助于在航空航天应用程序最小化盘的重量。有许多申请燃气涡轮盘在航空航天工业,如涡轮喷气发动机。这些光盘通常在高温下工作而受到很高的角速度。Sayman [13)研究了弹塑性和残余应力在热塑性复合材料层合板在线性热负荷也进行了弹塑性,热应力分析热塑性复合瓣下钢筋与钢纤维均匀的温度分布,得出塑性屈服扩大在内外表面,内表面塑性流动是最高的。辛格(14)进行蠕变分析在一个各向异性复合圆盘旋转在15000 rpm和接受在561 K以下诺顿的稳态蠕变幂法则。各向异性的存在会导致显着减少的切向和径向应变率在整个阀瓣和有助于抑制蠕变响应的切向和径向方向。宣et al。15]研究了复合系统的时间变形和断裂性能和结构在温度升高。他开发了一种微型地区变形测量技术,使得复合材料的蠕变应变场的直接测量系统在更高的温度。Chamoli et al。16]研究了各向异性的应力和应变率的影响,得出材料的各向异性有重要影响的蠕变转盘。描述的蠕变行为是Sherby定律。辛格和藤17)调查产生的蠕变变形的应力分布和各向同性转盘有恒定的厚度和碳化硅颗粒增强铝基复合材料热残余应力的存在。结果表明,拉伸残余应力的存在会影响应力和应变的分布与恒定厚度圆盘。陈等人。18)调查的影响材料的蠕变应力应变梯度加压罐,这被认为是由功能梯度材料。他们得出结论,蠕变应变的大小是影响弹性模量分布以及蠕变性质分布在功能梯度材料,实现了一些基本的知识材料分布减少最大蠕变应力/应变水平的功能梯度材料中。古普塔和辛格19]研究了各向异性的影响在复合圆盘应力和应变率的各向异性材料碳化硅卷(6061 - 30%_p),得出的结论是,材料的各向异性有重要影响的蠕变与不同厚度转盘。

摘要稳态蠕变已经研究了6061铝基合金复合材料制成的转盘包含20卷%的SiC(粒子)。分析已经完成有/没有热残余应力的各向同性和各向异性盘厚度线性变化。蠕变行为被描述Sherby的本构模型。

2。数学公式

考虑一个正交的复合瓣薄薄的6061 Al - SiC_p的密度以恒定的角速度和旋转弧度/秒。假设圆盘的厚度和和分别是盘的内外半径。让和的转动惯量盘在内心的半径和外半径和,分别。和的横截面的面积内半径盘和外半径和,分别。然后 为了分析盘下面的假设。(1)盘是正交的,不可压缩材料。(2)弹性变形小的圆盘,因此它们可以被忽视与蠕变变形。(3)轴向压力阀瓣可以认为是零厚度圆盘被假定为比其直径非常小。(4)复合显示了一个稳态蠕变行为,这可能是描述按照Sherby定律(20.]: 在哪里,在那里,,,,,,,,有效的应变率,有效应力,应力指数,阈值压力,一个常数,晶格扩散系数,亚晶粒大小,汉堡向量的大小,杨氏模量。蠕变参数的值和被下面的回归方程的函数粒度和分散粒子的百分比除了温度,从可用的实验结果中提取Panday et al。4]: 不同材料组合的复合概念取代一个等价的单片材料的屈服和蠕变行为类似的复合显示。采取参考系的主要方向,和广义本构方程,给出了多轴应力状态下的各向异性盘 有效应力,的话,是 在哪里,,是材料的各向异性常数。,,和,,分别是应变率和应力的方向,和。是有效的应变率,有效应力,,分别在单轴压缩和拉伸屈服应力。双轴应力状态,有效应力 使用(2。5)和(2。9),(2。5)可以写成 同样来自(2。6) 从材料的不可压缩性的假设,它遵循 在哪里径向和切向应力之比吗是径向应变率。

分(2.10)(2.11) 在哪里 整合,以限制来双方 在哪里是径向变形速度内半径。分(2.15)和等同于(2.11) 在哪里 替换从(2。9)(2.16),它给 在哪里 转盘的平衡方程可以写成不同厚度 积分(2.21)在一定范围内来和使用(2。1)和(2。2) 替换从(2.18)(2。2) 使用(2.22)和(2.23),(2.18)成为 积分(2.21)在一定范围内来和使用(2。1) 因此,切向应力和径向压力是由(2.24)和(2.25)。然后应变率,和计算(2.10),(2.11)和(2.12)。

3所示。解决方案的过程

从前面分析应力分布计算迭代计算的数值方案(图1)。在第一个迭代,它是假定在整个圆盘半径。替换为在(2.25)第一个近似的价值,也就是说,获得的。第一个近似的应力比,通过划分通过可替换(2.13第一个近似计算,也就是说,。现在进行的数值积分限制的来并使用这个值(2.17)获得第一近似,也就是说,。使用这个和在(2.19)和(2.20),分别和被发现,它被用于(2.18)找到第二近似,也就是说,。使用为在(2.25),第二近似,也就是说,发现第二个近似的,也就是说,获得的。迭代过程继续,直到收敛,让压力的值在不同的网格点的半径。

快速收敛的价值的75%获得当前迭代中混合了25%的价值在过去获得迭代用于下一次迭代,也就是说,。

然后计算出应变率(2.10),(2.11)和(2.12)。

4所示。数值计算和讨论

为了计算一个转盘原文如此做的_p加强6061铝基复合材料(图2),我们假设阀瓣受到15000 rpm的角速度,我们选择粒度μ米粒子内容和温度。对于各向异性材料和各向同性材料,蠕变参数进行了报道,古普塔和辛格(19]。材料的蠕变行为的生意是由阈值描述蠕变法假设压力指数的8。内半径和外半径所有的光盘作为31.75毫米和152.4毫米,分别。一个计算机程序的基础上,分析提出了开发获得的稳态蠕变响应与线性组合盘不同厚度存在残余应力,结果比盘没有残余应力分析残余应力的重要性。为分析,拉伸残余应力作为32 MPa,观察到辛格和藤17]。

各向同性和各向异性光盘,厚度线性变化,也就是说,,了,盘的厚度(毫米)和厚度吗被认为是形式和,在那里的斜率是一盘。

厚度,使用这个表达式(2。1)成为 的蠕变分析在转盘Al-SiC(粒子)复合线性变厚度进行霍夫曼使用各向同性和各向异性屈服准则的产生和结果比较与那些使用•冯•米塞斯屈服准则/希尔的屈服准则忽视屈服应力的差异,也就是说,。

图3显示了切向应力的各向同性和各向异性转盘与线性变厚度存在残余应力,结果是没有残余应力比。得出各向同性和各向异性光盘,附近的切向应力有点低地区内半径和附近地区稍高的外半径的存在残余应力比盘没有残余应力。也指出,残余应力对切向应力分布的影响较小的各向异性转盘线性变厚度相比,厚度线性变化的各向同性盘。的切向应力变得更加均匀残余应力在一个各向异性的存在/没有盘相比,一个各向同性的光盘。

图4显示了径向压力的变化以及各向同性或各向异性转盘的半径/没有残余应力存在。可以看出在残余应力的存在,径向应力的发展是由于旋转略小于径向应力的各向同性和各向异性盘没有残余应力,尽管径向应力分布的大小的变化是很小的各向同性和各向异性光盘厚度线性变化由于残余应力的存在。作为一个从内到外半径半径的圆盘,从零径向应力增加,达到最大的阀瓣与中部地区附近的线性变厚度,然后开始向外部区域减少。

图5表明,在拉伸残余应力,切向应变率在两个各向同性和各向异性显著提高光盘光盘相比没有残余应力。还切向应变率的差异造成了由于存在和缺乏(即残余应力。,the residual effect) goes on increasing with radial distance and the extent of increase in difference is maximum in the region near the outer radius in both the isotropic/anisotropic discs having linearly varying thickness. Secondly, it is also noticed that variation in magnitude due to residual stress in an anisotropic disc is smaller compared to that for an isotropic disc. In an isotropic/anisotropic disc with/without residual stress, the tangential strain rates are highest at the inner radius and then decrease continuously, when one moves towards the outer radius of the disc. The trend of variation of tensile strain rate in tangential direction remains the same in an isotropic/anisotropic disc in the presence/absence of residual stress, but the magnitude can be reduced in an anisotropic disc.

图6残余应力的存在表明,径向应变率在一个各向同性和各向异性转盘与不同厚度和线性结果进行比较与那些没有残余应力。通过观察这两个各向同性和各向异性材料的光盘,得出的结论是,在没有残余应力的情况下,径向应变率的性质是压缩成为拉伸在盘中间的残余应力的存在。也注意到,应变速率的差异造成了由于残余应力的存在,没有更小的各向异性盘相比,一个各向同性的光盘。另一点是观察到的是径向应变速率的大小与径向距离首先迅速增加,然后开始下降。它到达最低再次增加前向外半径的各向同性和各向异性光盘没有残余应力与残余/。

从之前的讨论,可以得出结论:残余应力可能会导致显著的扭曲的各向同性和各向异性转盘厚度线性变化,但可以减少失真的大小选择各向异性盘。

5。结论

前面的结果和讨论得出以下。(1)热残余应力的存在发展中由于旋转不显著影响压力分布的各向同性和各向异性盘厚度线性变化,但应变率影响显著。(2)变化的大小获得切向应力和径向应力的各向异性盘有/无残余应力相对较小的比各向同性转盘。(3)在各向同性和各向异性盘,切向应变率的热残余应力的存在。同时,蠕变引起的程度差异由于残余应力的存在/没有增加一个走向外半径的圆盘,虽然这种差异较小的大小在各向异性盘相比,在各向同性盘。(4)存在残余应力的各向同性和各向异性的圆盘,径向应变率变化的本质从抗压强度,特别是在中部地区的阀瓣与线性变厚度比阀瓣没有残余应力。此外,剩余的大小在各向异性的影响盘是为各向同性盘相比明显降低。(5)设计一个旋转盘与线性变厚度的操作温度升高,残余应力的存在需要关注的角度稳态蠕变率。然而,残余应力的影响在稳态蠕变速率各向异性盘观察是远远低于观察各向同性盘。

引用

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