三维复杂力学条件下核电关键构件环境致裂预测方法研究
发布时间：2024-03-30 00:11
为了提高核电设备的耐腐蚀性，在轻水核反应堆中除核燃料包壳等少量材料外，结构材料大量选用奥氏体不锈钢和镍基合金，其耐腐蚀性主要是由钢表面的富络氧化膜(钝化膜)的形成。然而，奥氏体不锈钢和镍基合金长期处于核压力容器髙温髙压及辐照等环境中，在一定的残余应力和工作应力作用下将会产生应力腐蚀裂纹(SCC)，这种应力腐蚀裂纹随时间不断扩展，最终会将核电站中关键结构和设备带到一个极其危险边缘。因此，奥氏体不锈钢和镍基合金材料在高温水环境中以SCC为代表的环境致裂(EAC)是影响核电设备长期安全运行的关键问题之一。 鉴于这个问题的重要性，长期以来，主要工业发达国家相关研究机构在基于标准断裂力学试样和模拟高温水实验环境下，完成了大量核电关键材料的EAC裂纹扩展实验，储备了丰富的实验数据。目前，许多在役核电结构被检出EAC问题，急需评估和预测。由于实际核电结构裂纹区域几何和力学状态的复杂性，仅利用相关材料的EAC实验数据来评估核电结构中的EAC扩展状况显然是不够的。 为了解决材料EAC扩展速率实验数据和实际核电构件EAC扩展评价的衔接问题，本论文完成的主要工作有：在对核反应堆高温水环境中奥氏体不锈钢和镍基...
【文章页数】：114 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 选题的背景及研究的意义
1.1.1 核能的利用
1.1.2 核电的安全
1.1.3 问题的提出
1.1.4 研究的意义
1.2 本领域国内外的研究动态及发展趋势
1.2.1 核电关键设备结构材料应力腐蚀研究现状
1.2.2 核电关键设备结构材料应力腐蚀裂纹扩展速率研究现状
1.3 本文的主要研究内容
1.4 技术路线
1.5 课题研究的关键技术问题
2 课题主要基础理论研究
2.1 引言
2.2 应力腐烛破裂
2.2.1 应力腐蚀破裂的定义与特征
2.2.2 应力腐蚀破裂的机理
2.2.3 应力腐蚀破裂的实验检测方法
2.3 裂纹扩展速率主要预测模型研究
2.4 断裂力学中的应力应变场参量
2.5 数值模拟分析工具的选择
2.5.1 ABAQUS 软件28
2.5.2 ABAQUS的主要模块
2.5.3 网格划分及单元选择
2.5.4 子模型技术
2.6 本章小结
3 复杂力学条件下应力腐蚀裂纹扩展中力学参量的选取
3.1 引言
3.2 直流电位降裂纹测深仪的数值标定
3.2.1 有限元模型
3.2.2 计算结果及分析
3.2.3 模拟计算及分析
3.3 复杂载荷下含有两个轴向内表面裂纹的管试样模型的建立
3.3.1 试样的选择
3.3.2 几何模型和载荷条件
3.3.3 材料模型
3.4 实验过程及实验结果
3.4.1 试样的选取
3.4.2 实验条件和实验过程
3.4.3 实验结果
3.5 力学参量的模拟计算与比较
3.5.1 有限元模型
3.5.2 所需研究力学参量选取
3.5.3 裂纹前沿附近应力和塑性应变等值线
3.6 沿裂纹前沿旳各力学参量等效值与实验结果的对比
3.7 本章小结
4 应力腐蚀裂纹扩展定量估算方法研究及估算
4.1 引言
4.2 应力腐蚀裂纹扩展定量估算方法研究
4.2.1 基于Ford、FRI模型的估算方法
4.2.2 基于裂尖拉伸塑性应变梯度的估算方法
4.3 简单拉伸载荷沿半椭圆形裂纹前沿环境致裂裂纹扩展的估算
4.3.1 模型的建立
4.3.2 运用本文提出方法估算
4.3.3 运用断裂研究所模型估算
4.4 复杂载荷下内有两个轴向裂纹的管道环境致裂裂纹扩展的估算
4.4.1 运用本文所提方法进行估算
4.4.2 数值模拟结果与实验结果的比较分析
4.5 本章小结
5 一次超载作用对二维试样SCC裂纹扩展速率的影响
5.1 引言
5.2 试样的选择
5.3 材料模型及载荷条件
5.4 模拟实验过程
5.5 实验结果及讨论
5.5.1 裂尖前端的塑性应变和塑性应变率
5.5.2 在高温水环境中SUS316NG不锈钢SCC裂纹扩展速率的估算
5.6 超载对SCC裂纹扩展速率影响的实验观测
5.7 本章小结
6 一次超载对含内表面裂纹管EAC裂纹扩展速率的影响
6.1 引言
6.2 数值模拟实验条件的建立
6.2.1 试样几何模型和载荷条件和材料模型的选择
6.2.2 有限元模型
6.2.3 模拟实验过程
6.3 数值模拟实验结果及讨论
6.3.1 静态裂纹裂尖前沿的Mises应力
6.3.2 静态裂纹裂尖前沿的法向应力
6.3.3 静态裂纹裂尖前沿的等效塑性应变
6.3.4 静态裂纹裂尖前沿的法向塑性应变
6.3.5 裂纹裂尖法向塑性应变梯度
6.3.6 裂纹裂尖法向塑性应变率
6.4 一次超载对EAC扩展速率的影响及讨论
6.5 本章小结
7 结论
7.1 结论
7.2 展望
致谢
参考文献
附录
本文编号：3941512
【文章页数】：114 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 选题的背景及研究的意义
1.1.1 核能的利用
1.1.2 核电的安全
1.1.3 问题的提出
1.1.4 研究的意义
1.2 本领域国内外的研究动态及发展趋势
1.2.1 核电关键设备结构材料应力腐蚀研究现状
1.2.2 核电关键设备结构材料应力腐蚀裂纹扩展速率研究现状
1.3 本文的主要研究内容
1.4 技术路线
1.5 课题研究的关键技术问题
2 课题主要基础理论研究
2.1 引言
2.2 应力腐烛破裂
2.2.1 应力腐蚀破裂的定义与特征
2.2.2 应力腐蚀破裂的机理
2.2.3 应力腐蚀破裂的实验检测方法
2.3 裂纹扩展速率主要预测模型研究
2.4 断裂力学中的应力应变场参量
2.5 数值模拟分析工具的选择
2.5.1 ABAQUS 软件28
2.5.2 ABAQUS的主要模块
2.5.3 网格划分及单元选择
2.5.4 子模型技术
2.6 本章小结
3 复杂力学条件下应力腐蚀裂纹扩展中力学参量的选取
3.1 引言
3.2 直流电位降裂纹测深仪的数值标定
3.2.1 有限元模型
3.2.2 计算结果及分析
3.2.3 模拟计算及分析
3.3 复杂载荷下含有两个轴向内表面裂纹的管试样模型的建立
3.3.1 试样的选择
3.3.2 几何模型和载荷条件
3.3.3 材料模型
3.4 实验过程及实验结果
3.4.1 试样的选取
3.4.2 实验条件和实验过程
3.4.3 实验结果
3.5 力学参量的模拟计算与比较
3.5.1 有限元模型
3.5.2 所需研究力学参量选取
3.5.3 裂纹前沿附近应力和塑性应变等值线
3.6 沿裂纹前沿旳各力学参量等效值与实验结果的对比
3.7 本章小结
4 应力腐蚀裂纹扩展定量估算方法研究及估算
4.1 引言
4.2 应力腐蚀裂纹扩展定量估算方法研究
4.2.1 基于Ford、FRI模型的估算方法
4.2.2 基于裂尖拉伸塑性应变梯度的估算方法
4.3 简单拉伸载荷沿半椭圆形裂纹前沿环境致裂裂纹扩展的估算
4.3.1 模型的建立
4.3.2 运用本文提出方法估算
4.3.3 运用断裂研究所模型估算
4.4 复杂载荷下内有两个轴向裂纹的管道环境致裂裂纹扩展的估算
4.4.1 运用本文所提方法进行估算
4.4.2 数值模拟结果与实验结果的比较分析
4.5 本章小结
5 一次超载作用对二维试样SCC裂纹扩展速率的影响
5.1 引言
5.2 试样的选择
5.3 材料模型及载荷条件
5.4 模拟实验过程
5.5 实验结果及讨论
5.5.1 裂尖前端的塑性应变和塑性应变率
5.5.2 在高温水环境中SUS316NG不锈钢SCC裂纹扩展速率的估算
5.6 超载对SCC裂纹扩展速率影响的实验观测
5.7 本章小结
6 一次超载对含内表面裂纹管EAC裂纹扩展速率的影响
6.1 引言
6.2 数值模拟实验条件的建立
6.2.1 试样几何模型和载荷条件和材料模型的选择
6.2.2 有限元模型
6.2.3 模拟实验过程
6.3 数值模拟实验结果及讨论
6.3.1 静态裂纹裂尖前沿的Mises应力
6.3.2 静态裂纹裂尖前沿的法向应力
6.3.3 静态裂纹裂尖前沿的等效塑性应变
6.3.4 静态裂纹裂尖前沿的法向塑性应变
6.3.5 裂纹裂尖法向塑性应变梯度
6.3.6 裂纹裂尖法向塑性应变率
6.4 一次超载对EAC扩展速率的影响及讨论
6.5 本章小结
7 结论
7.1 结论
7.2 展望
致谢
参考文献
附录
本文编号：3941512
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