P91钢高温蠕变行为模拟

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1、分类号:TG174.41学校代码：10697密级:公开学号：201531503P91钢高温蠕变行为模拟学科名称：化学工程专业学位类别：工程硕士作者：张琦指导老师：刘新宝教授杨长林副教授西北大学学位评定委员会二〇一八年Simulationofelevated-temperaturecreepbehaviorinP91SteelAthesissubmittedtoNorthwestUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMasterinCh

2、emicalProcessEquipmentByQiZhangSupervisor:XinbaoLiuProfessorChanglinYangVice-ProfessorMarch2018摘要摘要作为超（超）临界机组主要部件的首选材料，P91马氏体耐热钢长期处于高温、高压条件下，致使蠕变成为影响其服役寿命的主要原因。为了系统研究P91钢的蠕变行为，本文从本构方程构建和有限元模拟两方面分别对其在不同条件下的蠕变持久实验结果进行损伤分析与寿命评估。首先，在不同条件下对P91钢进行单轴蠕变持久实验的基础上，结合蠕变损伤模

3、型Kachanov-Rabotnov模型（K-R模型）、双曲正弦模型（Sinh模型）及LiuandMurakami模型（Liu-M模型）分别对其进行本构方程构建，并与实验数据比较后选取最优模型。随后，利用ABAQUS软件中UMAT接口实现对最优模型的有限元二次开发，以便分别模拟P91钢在恒应力与变应力条件下的高温蠕变行为。最后，通过进行相应蠕变实验来验证有限元模拟结果的有效性。具体研究内容和结论如下：1）在580℃和620℃条件下分别对P91钢进行单轴拉伸实验，得到了相关力学性能参数。在此基础上，分别进行了恒应力与变

4、应力的蠕变持久实验，并获得了完整蠕变曲线。结果表明，等温度条件下，应力越大蠕变寿命越短，例如580℃时，外加应力从180MPa增加到200MPa，蠕变时间分别从631h缩短到139h；同时应力突然变化也会严重缩短其蠕变寿命。2）结合Sinh模型、Liu-M模型和K-R模型，分别对上述P91钢蠕变曲线进行了拟合分析。结果显示：Sinh模型和Liu-M模型均能克服K-R模型的限制，与实际情况相符合；同时，与实验数据比较后表明Sinh模型拟合结果最好，Liu-M模型次之，K-R模型最差；3）通过对ABAQUS软件中UMAT

5、用户接口的分析，成功构建了基于Sinh模型的P91钢本构方程，并进行了给定相应条件下的有限元模拟。结果表明：模拟结果与实测蠕变曲线高度重合。由此可知，利用开发的UMAT用户子程序可以方便、准确地对P91钢高温蠕变行为进行有限元模拟；4）利用上述开发的UMAT用户子程序分别预测了P91钢恒应力与变应力条件下的高温蠕变寿命。计算结果显示，恒应力结果与ECCC数据相一致，表明基于Sinh模型预测P91钢长时蠕变的有效性。变应力结果与实验结果相一致，为工程应用下的变应力情况提供理论依据。关键词：P91钢，蠕变，损伤力学，AB

6、AQUSI西北大学硕士学位论文IIABSTRACTABSTRACTAsoneofprimarymaterialsinsupercriticalcomponents,theheat-resistantP91steelwithtempedmartensiteissubjectedtotheelevatedtemperatureandhighpressureoveralongperiod.Undersuchconditions,creepbecomesthekeyfactorinshorteningitslifetime.

7、InordertostudythecreepbehaviorofP91steelindetail,thecreeptestingwascarriedoutunderdifferentconditions.Combinedwiththeobtainedresults,theconstitutiveequationandfiniteelementsimulationwereintroducedtoanalyzethecreepdamageandpredictionofrupturelifeforP91steelsyste

8、matically.Firstly,differentconstitutiveequationsbasedonthecreepdamagemodelwereestablishedusingtheobtainedcreepcurves,whichincludingKachanov-Rabotnovmodel(K-Rmodel),hyperboli