[發明專利]一種爐襯結構多尺度模擬方法

在審

• 申請號: 201310600824.8
• 申請日: 2013-11-25
• 公開（公告）號: CN104657530A
• 公開（公告）日: 2015-05-27
• 發明（設計）人: 王志剛;李斯;劉昌明;李友榮
• 申請（專利權）人: 武漢科技大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06F9/455
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

技術領域

本發明涉及一種基于耐火材料細觀損傷力學模型的爐襯結構多尺度模擬方法，具體為一種爐襯結構多尺度模擬方法。

背景技術

耐火材料廣泛應用于冶金、機械、石油化工、建材等行業的各類工業窯爐及高溫容器間的內襯結構中，是高溫工業熱工裝備不可或缺的重要支撐材料。但同時，它也是高溫爐襯結構中最薄弱的易損環節。

造成耐火材料損壞的主要因素包括兩個方面：一是熔渣對介質的化學侵蝕；一是使用過程中產生的熱應力破壞。化學侵蝕方面的研究，主要以物理化學為基礎，利用分子動力學和熱力學方法探尋耐火材料的侵蝕機理。在該研究領域，材料工作者已做了大量的工作，取得了許多研究成果。而關于耐火材料的熱應力破壞，主要以數學和力學方法為基礎，利用有限單元法等數值分析技術，模擬、預測和評價耐火材料使用過程中所經受的熱機械應力和損毀行為，并應用于冶金爐襯的設計和指導耐火材料的開發。但在研究中發現，對耐火材料爐襯結構進行數值模擬分析時，仍存在一些問題亟待解決。

首先，在數值模擬分析中缺乏適合表征耐火材料非線性力學行為的本構關系模型；其次，在對爐襯結構進行強度分析時，缺乏適用于耐火材料的強度評價標準或破壞準則。

發明內容

本發明所解決的技術問題在于提供一種爐襯結構多尺度模擬方法，以解決上述背景技術中提出的問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種爐襯結構多尺度模擬方法，包括以下步驟：

(1)建立耐火材料的細觀損傷力學模型；

在建模過程中采用理論建模和實驗研究同時進行，利用耐火材料的非線性力學行為建立聯系；

首先，依據耐火材料的顯微結構和宏觀性能實驗，建立細觀力學模型；然后，利用超聲波和聲發射實驗表征解釋損傷的演化機理；其次，在此基礎上，采用損傷力學方法建立細觀損傷力學模型，并利用實驗結果修正模型；最后，綜合數值模擬和實驗結果，確立基于細觀力學的耐火材料損傷過程的數值模擬和強度評價方法；

(2)?將建立的細觀損傷力學模型嵌入到有限元軟件中，分別在宏觀和微觀兩個尺度上對耐火材料進行分析，實現爐襯結構的多尺度模擬。

綜上所述，本發明有益效果：

本發明可使耐火材料的微觀設計與爐襯結構的宏觀結構設計達到整體最優，提高爐襯耐火材料的使用壽命，降低耐火材料的消耗。

附圖說明

????圖1?耐火材料細觀損傷力學模型的技術路線圖；

圖2?耐火材料爐襯結構多尺度模擬的技術路線圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

實施例1

如圖1-2所示，一種爐襯結構多尺度模擬方法，包括以下步驟：

(1)?建立耐火材料的細觀損傷力學模型,?理論建模和實驗研究同時進行，利用耐火材料的非線性力學行為建立聯系;

建立耐火材料的細觀損傷力學模型，包括以下步驟：

1)?耐火材料顯微結構分析;

采用X—ray衍射儀（XRD）、掃描電鏡（SEM）和電子探針（EPMA）、圖像分析儀和化學分析等手段分析耐火材料的相組成、晶粒大小數量分布、氣孔大小數量分布等，掌握其顯微結構特征；利用Hysitron原位納米力學測試系統測得各物相的力學性能,通過簡化和抽象，提取表達其細觀力學模型的特征參數;

2)?耐火材料力學性能試驗

按ASTM標準制作耐火材料試件，進行力學性能試驗，獲取耐火材料彈性模量、泊松比、強度、應力應變曲線等數據;

3)?建立耐火材料的細觀力學模型

建立細觀力學模型時，首先，通過耐火材料的顯微結構分析，得到材料組成成分、體積含量及其空間分布，并對其進行簡化，抽象出耐火材料顯微結構的細觀力學表征——代表體積單元；然后根據耐火材料的組成成分，確定各組分的局部物理性能；其次，利用相應的物理性能測試方法，測定材料的宏觀物理性能；最后，利用非均質材料的均勻化方法，建立耐火材料代表體積單元內部各點的應力和應變與所施加外載之間的關系，從而得到材料顯微結構與宏觀性能之間的定量關系;

4)?損傷演化過程的實驗表征