[發明專利]基于擴展有限元的RPV管點蝕坑上裂紋擴展數值模擬方法

有效

• 申請號: 202110589250.3
• 申請日: 2021-05-28
• 公開（公告）號: CN113378432B
• 公開（公告）日: 2022-10-21
• 發明（設計）人: 楊森;殷文奇;秦淵;侯懷宇
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 鄒偉紅

本發明公開了一種基于擴展有限元的RPV管點蝕坑上裂紋擴展數值模擬方法，包括：試驗確定RPV管材料在實際工況下產生的點蝕坑形貌及尺寸參數；建立適應RPV管道材料的含點蝕坑的損傷模型；定義荷載及邊界條件；通過計算應力分布設置XFEM單元富集區域；模擬點蝕坑模型上的裂紋開裂過程。本發明考慮了點蝕坑形貌及尺寸對裂紋萌生位置的影響，且模擬中不添加預制裂紋，實現了在近似RPV管道工況下點蝕坑周圍裂紋從無到有的損傷積累?開裂全過程模擬，能夠有效、準確地預測RPV管的使用壽命。

技術領域

本發明是屬于點蝕裂紋萌生預測技術領域，具體來說，涉及一種基于擴展有限元的RPV管點蝕坑上裂紋擴展數值模擬方法。

背景技術

反應堆壓力容器(RPV)是主回路冷卻劑壓力邊界屏障中的一個重要設備，為核安全一級設備，在核電廠服役期內不可更換，其壽命決定了整個核電廠的服役年限。因此，反應堆壓力容器的密封設計和選材，對于設備的安全運行至關重要。RPV管道接口一般采用奧氏體不銹鋼作為耐蝕性材料，由于奧氏體不銹鋼擁有良好的綜合性能，因此被廣泛用于各類壓力容器及管道等承壓設備中。

數據顯示，不銹鋼類承壓設備中實際失效形式有接近55%屬于應力腐蝕開裂。應力腐蝕過程十分復雜，眾多的影響因素使得其裂紋擴展難以控制，因此人們對此類應力腐蝕裂紋擴展規律及機理的認識還不夠充分，從而導致對核電站反應堆關鍵材料的壽命精確預測難以實現。核電材料的應力腐蝕行為主要由裂尖腐蝕環境、材料特性以及外應力相互作用導致。已有很多學者對裂尖腐蝕環境與材料特性的參數：環境致裂擴展速率（da/dt）與應力強度因子（K）進行了研究，但從力學角度對核電材料裂尖裂紋擴展進行研究，尤其是在多影響因素的材料環境致裂下，是同樣重要的。

近十多年來，已有很多學者將擴展有限元法（XFEM）應用于裂紋擴展的模擬研究中。Nagashima等（Nagashima T, Omoto Y, Tani S. Stress intensity factor analysisof interface cracks using X-FEM[J]. International Journal for NumericalMethods in Engineering, 2003, 56:1151-1173）利用XFEM方法分析了金屬材料界面位置處裂紋的應力變化。Raykar（N.R. Raykar, S.K. Maiti, R.K. Singh Raman. Modellingof mode-I stable crack growth under hydrogen assisted stress corrosioncracking[J]. Engineering Fracture Mechanics, 2011, 78(18):3153-3165）建立了基于內聚力模型的二維有限元的應力腐蝕裂紋擴展模型。隋榮娟（隋榮娟. 奧氏體不銹鋼應力腐蝕失效及其概率分析研究[D]. 山東:山東大學,2015）研究了奧氏體不銹鋼應力腐蝕失效及其概率，分析了點蝕坑坑徑比、外加應力與應力集中系數的關系，但對于點蝕坑上的裂紋擴展行為并未繼續研究。

由于RPV體積龐大，且實際工況下RPV處在核輻照等環境下，難以通過室內實驗的方法進行應力腐蝕裂紋研究，因此迫切需要開發一種RPV管點蝕坑裂紋擴展的數值模擬方法。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于擴展有限元的RPV管點蝕坑上裂紋擴展數值模擬方法，包括以下步驟：

S1,模型的建立

S11,進行室內試驗，確定RPV管材料在近似RPV管工況環境下的點蝕坑形貌與尺寸數據；

S12,依據上述點蝕坑形貌與尺寸數據，將實際RPV管等效為長方體，建立含點蝕坑的RPV管材料的三維鋼板模型；

S2,材料設置與網格劃分