[發明專利]一種Al2

有效

• 申請號: 202011379939.5
• 申請日: 2020-11-30
• 公開（公告）號: CN112651150B
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發明（設計）人: 劉澤;唐琳;張亞飛;余松科;朱曉玲
• 申請（專利權）人: 成都大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F119/14
• 代理公司: 北京海虹嘉誠知識產權代理有限公司 11129
• 代理人: 韓岳

本發明屬于實驗聚變堆中阻氚涂層系統的技術領域，特別涉及一種用于Al₂O₃/316L不銹鋼阻氚系統表面多重裂紋行為的擴展有限元模擬分析方法。其為了研究聚變堆運行中，阻氚涂層受多重物理場耦合影響下造成的表面多重裂紋擴展的力學行為。本發明專利基于Abaqus軟件，在參照實際樣品前提下，將含有多重表面裂紋的阻氚系統簡化為單一裂紋單元體，隨后將此單元體進行擴展有限元求解。本方法有效克服了之前繁復的阻氚涂層多重裂紋建模、網劃分格等缺點，高效地模擬出阻氚涂層在外部載荷作用下，表面多重裂紋的關鍵物理量。提高了計算效率，為高性能阻氚涂層的設計提供理論指導。

技術領域

本發明屬于實驗聚變堆中阻氚涂層系統的技術領域，特別涉及一種用于Al₂O₃/316L不銹鋼阻氚系統表面多重裂紋行為的擴展有限元模擬分析方法。

背景技術

受控核聚變經過幾十年的不懈努力，實驗聚變堆目前已處于建設階段。并且，隨著磁約束國際熱核聚變堆(International ThermonuclearExperimental Reactor，ITER)計劃的實施和發展，研究滿足ITER及未來先進聚變堆要求的阻氚涂層是當前聚變堆相關研究中的熱點和難點之一，其性能是決定聚變堆能否實現安全運行的關鍵。

聚變堆氚增值包層內增殖產生的氚極易通過包層結構材料向外滲透。這不但會造成氚的流失，引起放射性污染，還將引發包層結構材料發生脆化、腫脹，給聚變反應堆帶來災難性的后果。研究表明，為了阻止氚的滲透，同時保持結構材料的整體性能，最有效的方法即在結構材料表面沉積阻氚涂層。氚在金屬中以間隙原子的形式擴散，具有較強的滲透能力，但在陶瓷材料中的滲透卻是以類似分子的形式擴散，滲透能力低，比在金屬中低幾個數量級。因此，為了有效地阻止氚的滲透，在基底材料表面沉積相應的陶瓷阻氚涂層是較為實際的方法。在眾多陶瓷阻氚涂層材料中，由于Al₂O₃具有良好的阻氚滲透率，優異的耐腐蝕性和熱穩定性，被認為是有希望的阻氚涂層候選材料之一。同時，316L不銹鋼在眾多鋼結構中具有氚滲透率低、強度高、塑性好等優勢。因此，以316L不銹鋼為基體，在其表面沉積Al₂O₃作為阻氚涂層系統是目前研究的重點。

在聚變堆高溫或交變熱場、交變輻照場等多物理場耦合的中作用下，由于涂層材料晶格常數、熱膨脹系數等與基底材料差異較大，加上涂層與基底材料異質界面的非連續和非共格的本征特性，在涂層與基底的交界面處，不可避免地會引起應力集中現象。應力集中將會誘發涂層表面產生裂紋，進而造成涂層脫落，即表現出膜基結合強度不足的特點。因此，研究涂層系統中裂紋擴展過程，對提高涂層使用壽命和揭示其失效機制有著重要作用。除此之外，由于阻氚涂層厚度較薄，裂紋實驗的差異性、復雜性，以及實驗工況所需的財力、物力投入巨大的特點，通過實驗方法量化裂紋相關力學性能目前仍存在巨大挑戰。

與此相對，在與材料和機械領域有關的斷裂問題上，采用擴展有限元模擬方法，可以有效縮短實驗時間、提高工作效率、節約實驗費用，為相關科學的研發提供理論基礎以及結構設計指導。

目前在阻氚涂層領域中，已經開展了一部分有限元的研究，主要集中在熱應力、溫度場分布以及位移測量等方面。但是對于阻氚系統中，涂層表面多重裂紋力學問題的研究方法卻鮮有報道。僅有的多重裂紋研究主要存在模型復雜、計算量大、后期收斂性差的缺點。這主要是由于在實際裂紋開裂過程中，每條裂紋尖端都會出現應力集中。在后期計算過程中，為了更好的提取裂紋應變能釋放率以及應力，會對裂紋尖端實施網格加密的過程。由于裂紋與整體模型系統為一個整體，網格的加密勢必導致整體模型網格數量、節點、單元增加，不利于后期的計算。因此迫切需要開發一種基于擴展有限元技術的簡潔新方法來解決此問題。

發明內容

本發明的目的是提供一種用于Al₂O₃/316L不銹鋼阻氚系統表面多重裂紋行為的擴展有限元模擬分析方法，包括以下步驟：

(1)前期幾何模型的建立