基于细观力学的耐火材料损伤本构模型开发与实现

发布时间：2016-08-20 19:21

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《武汉科技大学》 2012年

基于细观力学的耐火材料损伤本构模型开发与实现

刘昌明  

【摘要】：提高炉衬寿命是降低耐火材料消耗的主要途径之一，数值模拟则是研究如何提高其寿命的重要方法。然而，耐火材料自身的微观非均质性所产生的复杂非线性力学行为以及损伤形式，使传统的数值模拟技术和强度评价方法难以适用，这成为制约该项技术推广和应用的瓶颈。因此，研究耐火材料力学行为的损伤破坏机理，预测炉衬材料的损伤形式，，以及解决该类结构强度分析中缺乏适用于材料自身的本构关系和强度准则的难题，对提高炉衬结构的使用寿命具有十分重要的意义。 本文以镁碳质耐火材料为研究对象，从材料的细观力学建模、以声发射试验为核心试验手段的微观损伤试验表征和细观损伤力学模型的有限元嵌入三个方面对炉衬耐火材料的力学行为进行了系统的研究。论文的主要工作包括如下内容： 1、运用改进的广义自洽算法对镁碳质耐火材料进行了力学性能估算 针对基质相成分不同对镁碳质耐火材料宏观力学性能的巨大影响，采用改进的广义自洽算法，从其显微结构和组成两个方面探讨了材料宏观性能存在差异的原因，发现耐火材料基质相的性能对材料宏观性能影响很大，为评估耐火材料整体力学性能提供了一种全新的思路。 2、提出了一种模拟耐火材料非线性力学行为拉压非对称损伤特性的算法 在了解材料组分影响及其损伤形式的基础上，将细观力学方法应用于耐火材料非线性力学行为研究中。基于广义自洽模型，对材料的拉压损伤过程分别提出物理假设：受拉过程中，基质逐步与气孔融合形成二次基质相，与此同时进行，颗粒逐步被二次基质相“吞噬”；受压过程中则只有基质与气孔融合过程，而颗粒保持不变。借助改进的广义自洽算法对材料在受拉压载荷下的损伤过程进行了数值模拟，模拟的结果可以较好地与试验结果相吻合，证明了本假设的合理性。该方法避免了在实际操作过程中的复杂损伤判别过程，为耐火材料损伤行为的研究提供了一条崭新的思路。 3、提出了一种定量表征耐火材料损伤程度的界面相损伤模型 在基质相与颗粒相之间假想存在一层带有厚度的界面相，建立基于界面损伤的耐火材料损伤本构关系用以描述损伤演化过程。在常温损伤模型的基础上，考虑温度因素，得到包含温度效应的界面损伤模型并以子程序形式嵌入至有限元本构模型中。借助界面相损伤模型，可以直观得到界面损伤程度对材料宏观性能的影响，简化了传统弹簧模型的计算过程，搭建起细观界面与宏观性能之间的桥梁，在研究方法上为耐火材料的损伤行为研究提出了新的思路。 4、提出了基于信号分析方法的耐火材料损伤特征提取 对材料进行了力学性能测试并利用信号分析的方法对材料的损伤进行了试验表征。分别采用小波能谱系数法实现耐火材料的损伤模式识别和功率谱分析法实现对材料损伤程度的表征。将材料的损伤过程划分为三个阶段并提取了信号的质心能量作为表征损伤的特征参数，该参数将作为损伤函数表达式的输入，嵌入至细观损伤本构力学模型中。该处理方式解决了传统声发射数据处理方式中从时域入手简单描述损伤的限制，从损伤分类以及损伤程度两个方面对耐火材料损伤行为进行了定量试验表征。 5、建立了耐火材料细观损伤力学模型 借助理论建模部分与试验表征部分的研究成果，建立了耐火材料细观损伤力学模型：采用与试验表征相同的损伤阶段划分，提出并定义代表材料损伤程度的损伤函数，并以特征能量作为损伤函数输入量利用有限元软件ABAQUS自带子程序UMAT，将损伤本构模型程序化并嵌入数值计算中；同时，将考虑温度效应的界面损伤模型以场变量的形式附加到常温损伤本构模型之上。计算结果表明，模型在材料单元压力响应方面与试验值具有良好的一致性，而在预测材料三点弯曲的抗折模量和抗折强度方面与试验值相差较大，主要原因在于未考虑受拉情形的损伤本构关系。该方法综合了理论与试验的结果，使耐火材料力学损伤行为的研究呈现出系统性与一致性，为材料损伤行为的研究奠定了基础。

【关键词】：
【学位授予单位】：武汉科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TQ175.1
【目录】：

摘要4-6

Abstract6-12

第一章 绪论12-29

1.1 基于细观力学的耐火材料损伤本构模型研究意义及现状12-24

1.1.1 耐火材料损伤行为的研究现状14-19

1.1.1.1 复合材料细观力学的研究现状14-16

1.1.1.2 细观损伤力学的研究现状16-19

1.1.1.2.1 含微气孔、微裂纹材料的弹性模量与弹塑性应力-应变关系的研究17

1.1.1.2.2 颗粒相复合材料中界面损伤对材料弹塑性性能的影响17-18

1.1.1.2.3 颗粒相复合材料的界面局部损伤与弹性性能18-19

1.1.1.2.4 颗粒相复合材料中基质相的损伤对材料弹塑性性能的影响19

1.1.2 基于声发射试验表征材料损伤的研究现状19-22

1.1.2.1 声发射试验技术的研究历史与现状19-20

1.1.2.2 利用声发射技术对耐火材料进行损伤检测的研究现状20-22

1.1.3 非均质材料与跨尺度的研究现状22-24

1.1.3.1 跨尺度研究两种主要方法的优缺点22

1.1.3.2 材料设计中的多尺度分析方法22-23

1.1.3.3 多尺度模拟应用现状23

1.1.3.4 多尺度研究的进一步发展：材料微观损伤演化与失效退化行为分析现状23

1.1.3.5 材料微结构的模拟现状23-24

1.1.3.6 目前多尺度研究理论发展的主要障碍24

1.2 论文研究方案24-27

1.2.1 耐火材料显微结构分析25

1.2.2 耐火材料力学性能试验25

1.2.3 建立耐火材料的细观力学模型25-26

1.2.4 损伤演化过程的试验表征26-27

1.2.4.1 声发射实验26

1.2.4.2 损伤演化过程的物理解释及其定量表征26-27

1.2.5 建立耐火材料的细观损伤力学模型27

1.2.6 数值模拟27

1.3 论文的主要内容27-29

1.3.1 耐火材料显微结构与外载荷之间相互作用的特征描述—细观力学模型27

1.3.2 耐火材料损伤演化过程的试验表征27-28

1.3.3 耐火材料损伤本构模型建立及数值模拟28-29

第二章 基于细观力学的耐火材料损伤模拟29-69

2.1 基于细观力学模型估算镁碳耐火材料基质的力学性能29-40

2.1.1 复合材料性能预测的细观力学方法研究背景30-33

2.1.2 广义自洽模型33-37

2.1.3 镁碳质耐火材料基质力学性能探究37-39

2.1.4 结果分析与讨论39-40

2.2 基于细观力学模拟耐火材料非线性力学行为40-50

2.2.1 耐火材料非线性力学行为的解释41-42

2.2.2 耐火材料非线性力学行为假设42-44

2.2.2.1 受拉损伤行为假设43

2.2.2.2 受压损伤行为假设43-44

2.2.3 改进的广义自洽模型44-45

2.2.4 技术路线45

2.2.5 由弹性模量与应力之间的关系推导应力应变关系45-46

2.2.6 镁碳质耐火材料的非线性力学行为预测46-49

2.2.7 结果分析与讨论49-50

2.3 基于界面相模型的耐火材料损伤演化细观力学表征50-67

2.3.1 颗粒复合材料的界面相模型52-54

2.3.2 耐火材料损伤表征54-55

2.3.2.1 耐火材料损伤过程的物理假设54-55

2.3.2.2 耐火材料的损伤定义55

2.3.3 基于界面相模型的镁碳质耐火材料损伤研究55-67

2.3.3.1 试验材料及其制备55

2.3.3.2 常温单轴受压损伤过程模拟55-58

2.3.3.2.1 损伤过程模拟55-57

2.3.3.2.2 建立界面参数-损伤因子关系57-58

2.3.3.3 常温单轴受拉损伤过程模拟58-60

2.3.3.4 高温单轴受压损伤过程模拟60-64

2.3.3.5 高温单轴受拉损伤过程模拟64-67

2.3.4 结果分析与讨论67

2.4 本章小结67-69

第三章 基于声发射检测的耐火材料微观损伤的试验表征方法69-92

3.1 镁碳质耐火材料的制备与基本物性69-72

3.1.1 试样的制备70

3.1.2 显微结构分析70-71

3.1.3 组成相弹性模量测定71-72

3.2 力学性能试验72-80

3.2.1 宏观力学性能试验72-74

3.2.2 声发射试验74-80

3.2.2.1 声发射系统74-78

3.2.2.1.1 声发射仪74-75

3.2.2.1.2 声发射传感器75-76

3.2.2.1.3 DiSP 系统的主要特性76

3.2.2.1.4 声发射仪相关参数指标76-78

3.2.2.2 声发射信号表征参数78-80

3.3 声发射信号数据分析80-91

3.3.1 基于小波能谱系数的损伤模式分类81-87

3.3.1.1 小波变换82

3.3.1.2 小波特征能谱系数82-83

3.3.1.3 损伤模式划分83-86

3.3.1.4 结果与讨论86-87

3.3.2 基于质心频率及其携带能量的损伤特征提取87-91

3.3.2.1 信号功率谱分析87-89

3.3.2.2 质心频率与累积能量时间历程对照89-91

3.4 本章小结91-92

第四章 耐火材料损伤本构模型的开发与实现92-111

4.1 损伤本构模型92-97

4.1.1 以基质损伤为主的初始损伤阶段93-95

4.1.2 以基质与界面复合损伤为主的损伤演化阶段95-96

4.1.3 粘塑性准则96-97

4.2 ABAQUS 用户子程序97-100

4.2.1 用户子程序接口概述97-98

4.2.2 用户材料子程序 UMAT98-100

4.3 镁碳耐火材料损伤本构模型子程序 UMAT100-105

4.3.1 定义状态变量101-102

4.3.2 损伤判别102-104

4.3.3 粘塑性准则104-105

4.4 数值模拟105-109

4.4.1 压缩试验105-107

4.4.2 三点弯曲试验107-109

4.4.2.1 抗折弯曲模量107-108

4.4.2.2 抗折弯曲强度108

4.4.2.3 试验值108

4.4.2.4 模拟值108-109

4.5 本章小结109-111

第五章 结论与展望111-113

5.1 结论111-112

5.2 展望112-113

参考文献113-127

攻读博士学位期间承担的科研项目及研究成果127-129

致谢129-130

主要创新点130

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5 李正;复杂受力条件下混凝土损伤本构模型及钢筋混凝土桥梁地震损伤分析[D];天津大学;2011年

6 刘军;混凝土损伤本构模型研究及其数值实现[D];大连理工大学;2012年

7 李俊;二维C/SiC复合材料的非线性本构关系研究[D];西北工业大学;2014年

8 赵永强;污染对水泥土影响的力学试验及其损伤本构模型研究[D];太原理工大学;2008年

9 刘昌明;基于细观力学的耐火材料损伤本构模型开发与实现[D];武汉科技大学;2012年

中国硕士学位论文全文数据库 前9条

1 蔡灿;砂岩的动静态损伤本构模型及牙齿破岩机理研究[D];西南石油大学;2014年

2 蒋维;岩石统计损伤本构模型与圆形硐室岩爆研究[D];中南大学;2011年

3 王菲;基于三轴压缩试验的岩石统计损伤本构模型研究[D];清华大学;2013年

4 杨磊;铸造镁合金塑性—蠕变交互作用的损伤本构模型及其应用[D];重庆大学;2005年

5 郗武;混凝土单轴受压细观统计损伤本构模型研究[D];西安建筑科技大学;2013年

6 尹相振;混凝土动态破坏过程的细观数值方法研究[D];大连理工大学;2014年

7 杨文东;坝基软弱岩体的非线性蠕变损伤本构模型及其工程应用[D];山东大学;2008年

8 王者超;盐岩非线性蠕变损伤本构模型研究[D];中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所）;2006年

9 汪辉平;岩土变形全过程统计损伤模拟方法研究[D];湖南大学;2013年

  本文关键词：基于细观力学的耐火材料损伤本构模型开发与实现，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：99269