[發(fā)明專利]一種粗糙基底的Al2

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011464196.1
• 申請日: 2020-12-11
• 公開（公告）號: CN112651154B
• 公開（公告）日: 2022-09-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉澤;唐琳;余松科
• 申請（專利權(quán)）人: 成都大學(xué)
• 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(chǎn)權(quán)代理有限公司 11129
• 代理人: 韓岳

本發(fā)明屬于實驗聚變堆中阻氚涂層系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種粗糙基底的Al₂O₃/316L不銹鋼阻氚系統(tǒng)表面多重裂紋的擴展有限元模擬方法。其為了研究聚變堆運行中，具有粗糙基底的阻氚系統(tǒng)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(xué)行為。本發(fā)明專利基于Ansys workbench軟件，將同時具有粗糙基底和多重表面裂紋的阻氚系統(tǒng)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。本方法在結(jié)合樣品實際形貌的基礎(chǔ)上，對模型進行科學(xué)的簡化。有效克服了之前阻氚涂層繁復(fù)的多重裂紋網(wǎng)格劃分、收斂性差的缺點，高效地模擬出阻氚涂層在外部載荷作用下，基底表面粗糙度對多重裂紋系統(tǒng)關(guān)鍵物理量的影響。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于實驗聚變堆中阻氚涂層系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種粗糙基底的Al₂O₃/316L不銹鋼阻氚系統(tǒng)表面多重裂紋的擴展有限元模擬方法。

背景技術(shù)

受控核聚變經(jīng)過幾十年的不懈努力，實驗聚變堆目前已處于建設(shè)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(fā)展，研究滿足ITER及未來先進聚變堆要求的阻氚涂層是當(dāng)前聚變堆相關(guān)研究中的熱點和難點之一，其性能是決定聚變堆能否實現(xiàn)安全運行的關(guān)鍵。

聚變堆氚增值包層內(nèi)增殖產(chǎn)生的氚極易通過包層結(jié)構(gòu)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(fā)包層結(jié)構(gòu)材料發(fā)生脆化、腫脹，給聚變反應(yīng)堆帶來災(zāi)難性的后果。研究表明，為了阻止氚的滲透，同時保持結(jié)構(gòu)材料的整體性能，最有效的方法即在結(jié)構(gòu)材料表面沉積陶瓷阻氚涂層。由于Al₂O₃具有良好的阻氚滲透率，優(yōu)異的耐腐蝕性和熱穩(wěn)定性，被認(rèn)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(jié)構(gòu)中具有氚滲透率低、強度高、塑性好等優(yōu)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(tǒng)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(shù)、熱膨脹系數(shù)等與基底材料差異較大，加上涂層與基底材料異質(zhì)界面的非連續(xù)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(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力集中將會誘發(fā)涂層表面產(chǎn)生裂紋，進而造成涂層脫落，即表現(xiàn)出膜基結(jié)合強度不足的特點。

目前，大部分對涂層/基底系統(tǒng)的理論研究工作中，主要關(guān)注于基底表面光滑的阻氚系統(tǒng)。然而在實際的加工、生產(chǎn)過程中，由于拋光工藝的影響，基底表面的粗糙度無法避免。研究表明，阻氚涂層系統(tǒng)中，粗糙基底表面對整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性是不利的。其不僅會影響涂層的熱力學(xué)性能，還會加劇涂層與基底交界面的應(yīng)力集中，誘發(fā)涂層表面產(chǎn)生多重裂紋。隨著裂紋的擴展，甚至發(fā)生與結(jié)構(gòu)材料剝離的災(zāi)難性失效。因此，研究具有粗糙基底的Al₂O₃/316L不銹鋼阻氚系統(tǒng)表面多重裂紋行為，對提高涂層使用壽命和揭示其失效機制有著重要作用。然而由于阻氚涂層厚度較薄，裂紋實驗的差異性、復(fù)雜性，以及實驗工況所需的財力、物力投入巨大的特點，通過實驗方法定量研究基底表面粗糙度與多重裂紋力學(xué)性能之間的關(guān)系目前仍存在巨大挑戰(zhàn)。

與此相對，在與材料和機械領(lǐng)域有關(guān)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(jié)約實驗費用，為的研發(fā)提供理論基礎(chǔ)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計指導(dǎo)。目前在阻氚涂層領(lǐng)域中，已經(jīng)開展了一部分有限元的研究，主要集中在熱應(yīng)力、溫度場分布以及位移測量等方面。但是對于同時具有粗糙基底和表面多重裂紋的阻氚涂層系統(tǒng)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(fù)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，每條裂紋尖端會出現(xiàn)應(yīng)力集中。在后期計算過程中，為了更好的提取裂紋應(yīng)變能釋放率以及應(yīng)力，會對裂紋尖端實施網(wǎng)格加密的過程。由于裂紋與整體模型系統(tǒng)為一個整體，網(wǎng)格的加密勢必導(dǎo)致整體模型網(wǎng)格數(shù)量、節(jié)點、單元增加，不利于后期計算收斂。因此迫切需要開發(fā)一種基于擴展有限元技術(shù)的簡潔新方法來解決此問題。

發(fā)明內(nèi)容