CN111581861B - 高铬钢构件高温氧化腐蚀的连续损伤预测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高铬钢构件高温氧化腐蚀的连续损伤预测方法及系统，其中方法包括以下步骤：构建扩散‑反应连续性损伤模型，所述扩散‑反应连续性损伤模型包括扩散‑反应方程与损伤演化方程；确定扩散‑反应方程与损伤演化方程的参数；将确定参数后的扩散‑反应连续性损伤模型植入预设软件进行运行，实现对高铬钢构件高温氧化腐蚀的连续损伤预测。本发明采用扩散‑反应连续性损伤模型对高铬钢构件高温氧化腐蚀的连续损伤进行预测，不仅可以描述高铬钢的氧化现象，还可以解释高铬钢的氧化特征，可广泛应用于超临界发电机组中高温高压构件的安全设计与剩余寿命评估的技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及超临界发电机组中高温高压构件的安全设计与剩余寿命评估的技术领域，尤其涉及一种高铬钢构件高温氧化腐蚀的连续损伤预测方法及系统。
背景技术
高铬钢(如P91钢、P92钢、E911钢等)材料作为一类新型抗蠕变合金，在高温高压条件下具有高蠕变强度、耐腐蚀、易焊接等优良性能，在超临界电厂的关键结构部件(如锅炉、涡轮转子、蒸汽管等)制造中得到了广泛的应用。
在超临界水环境(>600℃/300bar)中，氧化是高铬钢的主要损伤机制之一。在氧化过程中，高铬钢部件表面会形成厚氧化皮。氧化皮的硬化将降低材料承载力并影响构件的应力分布，进一步加速部件破裂。在复杂加载条件下，氧化可能会与蠕变，低周疲劳和其他类型的损伤相互作用，显着降低高铬钢部件的剩余寿命。
超临界水中的自由氧可能来自水的分解或外部溶解氧。氧化过程主要包括两个步骤：(1)氧阴离子(O2-)的向内扩散，金属阳离子(Fe2+，Cr3+等)的向外扩散；(2)氧阴离子和金属阳离子发生化学反应生成金属氧化物。参见图2，在超临界水中对铁素体-马氏体钢进行氧化的系统实验表明，氧化皮分三层，分别称为外氧化层(即图2中的outer oxide layer)，内氧化层(即图2中的inner oxide layer)和内氧化层过渡区(即图2中的internal oxidezone)。在内部和外部氧化层中，Fe元素的浓度都较高，而在内部氧化层中Cr元素富集，而在外部氧化层中Cr元素贫乏。合金元素的不同分布是由于Fe和Cr与氧气的亲和力不同，并且Fe在氧化物中的迁移速率比Cr快。内氧化层过渡区的特征是金属元素从氧化物到基质逐渐变化。内部氧化层包含富铬尖晶石化合物FeCr2O4，其具有物理和化学稳定性，并且其密度足以覆盖金属表面。在这种情况下，内部氧化层起着阻挡金属和氧气扩散的作用，有利于防止高铬钢的进一步氧化。因此，实验测量的高铬钢的时间增重曲线始终遵循抛物线氧化定律。除此之外，还观察到外部条件(例如温度，压力，外部氧气浓度)对高铬钢的氧化行为有重要影响。
在理论建模方面，一些模型着重于描述氧化皮厚度的演变。通常可得出氧化皮厚度随时间，温度和其他因素的关系。这些模型便于将其用于整体构件氧化行为的数值模拟。其他一些模型采用损伤变量来描述氧化过程。损伤变量的演化方程可以由唯象模型提出，也可以考虑气体向固体材料的扩散规律来推导。在这些模型中，还可以结合其他一些类型的损害来研究不同形式的相互作用。在Fu Suo和Shen，Wang等人提出的模型中，考虑了扩散，反应和应力的耦合效应。这些模型中涉及的变量的演化方程式是根据适当的物理或化学规律得出的。从这些模型的计算结果中，可以揭示导致氧化的某些关键特征的潜在机理。除了上述工作外，还提出了一些研究固体材料的氧化的其他建模方法，例如分子动力学和第一性原理计算，人工神经网络方法等。
在微观晶胞晶界结构方面，通常观察到，氧化后的钢样品在氧化层下方会出现晶间裂纹。这是由于氧气可以沿晶界更容易地扩散到内部结构中，从而促进了氧化的发展。沿晶界的氧化通道将扩展并形成连续的氧化网络，金属基体中的微裂纹将更快地发展。
为了满足高铬钢构件安全设计和剩余寿命预测的需求，上述模型还需要得到进一步改进。现有模型存在的主要问题包括：
1、现有的模型大多是根据氧化增重的幂律模型来考察氧化程度，这些模型虽然可以描述高铬钢的氧化特征，但无法从机理的角度对氧化特征解释。
2、由于高铬钢存在微观的晶胞晶界结构，而且对结构产生不可忽略的影响，在考察微观结构的氧化时，需要区分晶胞晶界的差异，这是大多数模型没有考虑到的。
另外，模型求解后需要进行有限元模拟作进一步验证，但当前的有限元程序一般不具有当前理论模型的本构，若需要将模型实现到有限元程序中，需要对模型进行二次开发。
发明内容
为了解决上述技术问题之一，本发明的目的是提供一种高铬钢构件高温氧化腐蚀的连续损伤预测方法及系统，不仅可以描述高铬钢的氧化现象，还可以解释高铬钢的氧化特征。
本发明所采用的技术方案是：
一种高铬钢构件高温氧化腐蚀的连续损伤预测方法，包括以下步骤：
构建扩散-反应连续性损伤模型，所述扩散-反应连续性损伤模型包括扩散-反应方程与损伤演化方程；
确定扩散-反应方程与损伤演化方程的参数；
将确定参数后的扩散-反应连续性损伤模型植入预设软件进行运行，实现对高铬钢构件高温氧化腐蚀的连续损伤预测。
进一步，所述扩散-反应连续性损伤模型基于以下方程进行构建：
扩散定律：
扩散系数：P(D)＝Pmet+(Poxi-Pmet)D2；
质量反应定律：
氧化损伤变量：
其中，U是自由氧的量，P是扩散系数，D表示在局部材料点处被氧化的金属的分数，称为氧化损伤变量，是空间梯度算子，C为自由氧的浓度，n为微小表面积ds的法向矢量，Poxi和Pmet分别是氧化物和金属中氧的扩散系数，C*表示反应氧的浓度，/>是代表高铬钢中反应氧的最大浓度的材料参数，t表示时间；b代表反应阶数，k代表反应速率。
进一步，所述扩散-反应方程为：
所述损伤演化方程为：
其中，x、y和z分别代表三维空间上的坐标。
进一步，所述构建扩散-反应连续性损伤模型，包括：
构建三维的扩散-反应连续性损伤模型，对三维的扩散-反应连续性损伤模型进行简化处理后，获得一维的扩散-反应连续性损伤模型；
其中，一维的扩散-反应连续性损伤模型的扩散-反应方程为：
进一步，获得最终的扩散-反应连续性损伤模型如下所示：
其中，C0为外部氧气浓度，P1为氧气在高铬钢样品与外部空间之间的传递系数，L为试样的长度。
进一步，所述确定扩散-反应方程与损伤演化方程的参数，包括：
对扩散-反应方程进行离散化处理，对损伤演化方程进行积分处理；
结合预设的实验数据和收敛值，对扩散-反应方程和损伤演化方程进行循环迭代处理，获得扩散-反应方程与损伤演化方程的参数。
进一步，所述损伤演化方程积分处理后的方程为：
进一步，所述预设软件为ANSYS软件，所述将确定参数后的扩散-反应连续性损伤模型植入预设软件进行运行，包括：
将扩散-反应连续性损伤模型输入ANSYS软件进行运算；
在运算过程中，所述扩散-反应连续性损伤模型中的每个积分点将调用ANSYS软件的UserMatTh子程序进行运算，运算过程包括数据输入、计算输入输出-变量和输出变量，以及数据输出；
所述数据输入包括：在ANSYS软件的有限元模拟的每个时间增量步中，将温度、温度梯度以及一个材料点处的时间和温度增量输入到UserMatTh子程序中；
所述计算输入输出-变量和输出变量包括：在UserMatTh子程序中，采用后向差分法求解损伤演化方程，获得状态变量D的值；基于状态变量D的值，计算出热通量向量、热通量的变化率、空间梯度和热源；
所述数据输出包括：输入-输出变量和输出变量将传递给ANSYS软件，继续进行下一次计算。
进一步，还包括对有限元模拟进行改进的步骤，具体为：
采用热瞬态分析模式；
启用自动时间步长，并分步加载，设定时间增量的最大值随时间的增加而增加；
激活非线性分析中的预测校正。
本发明所采用的另一技术方案是：
一种高铬钢构件高温氧化腐蚀的连续损伤预测系统，包括：
模型构建模块，用于构建扩散-反应连续性损伤模型，所述扩散-反应连续性损伤模型包括扩散-反应方程与损伤演化方程；
参数确定模块，用于确定扩散-反应方程与损伤演化方程的参数；
损伤预测模块，用于将确定参数后的扩散-反应连续性损伤模型植入预设软件进行运行，实现对高铬钢构件高温氧化腐蚀的连续损伤预测。
本发明的有益效果是：本发明采用扩散-反应连续性损伤模型对高铬钢构件高温氧化腐蚀的连续损伤进行预测，不仅可以描述高铬钢的氧化现象，还可以解释高铬钢的氧化特征，满足了既描述高铬钢的氧化特征，又解释高铬钢的氧化特征的要求。
附图说明
图1是实施例中一种高铬钢构件高温氧化腐蚀的连续损伤预测方法的步骤流程图；
图2是P92钢氧化皮的多层结构示意图；
图3是实施例中实现一种高铬钢构件高温氧化腐蚀的连续损伤预测方法的技术路线图；
图4是实施例中采用扩散-反应连续性损伤模型计算P92钢的时间-增重曲线的示意图；
图5是在500℃时P92钢样品中自由氧浓度和氧化损伤演化的模型预测示意图；
图6是在550℃时P92钢样品中自由氧浓度和氧化损伤演化的模型预测示意图；
图7是在600℃时P92钢样品中自由氧浓度和氧化损伤演化的模型预测示意图；
图8是P92钢棒的网格划分和末端边界条件的示意图；
图9是P92钢管的几何尺寸及所选扇形段的示意图；
图10是P92钢管氧化损伤有限元模拟结果中损伤分布的示意图；
图11是P92钢管氧化损伤有限元模拟结果中氧化过程中的损伤演化的示意图；
图12是P92钢构件的晶胞晶界的多边形结构示意图；
图13是P92钢构件的网格划分示意图；
图14是晶格组织的P92钢构件在50h时自由氧浓度和氧化损伤的分布示意图；
图15是晶格组织的P92钢构件在100h时自由氧浓度和氧化损伤的分布示意图；
图16是晶格组织的P92钢构件在150h时自由氧浓度和氧化损伤的分布示意图；
图17是晶格组织的P92钢构件在200h时自由氧浓度和氧化损伤的分布示意图；
图18是实施例中一种高铬钢构件高温氧化腐蚀的连续损伤预测系统的结构框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本实施例提供一种高铬钢构件高温氧化腐蚀的连续损伤预测方法，包括以下步骤：
S1、构建扩散-反应连续性损伤模型，所述扩散-反应连续性损伤模型包括扩散-反应方程与损伤演化方程。
引入氧化损伤变量，建立扩散-反应连续性损伤模型。建立的理论模型如下：
扩散定律：
扩散系数：P(D)＝Pmet+(Poxi-Pmet)D2
质量反应定律：
氧化损伤变量：
扩散-反应连续性损伤模型包括扩散-反应方程与损伤演化方程。
扩散-反应方程：
损伤演化方程：
本实施例中提出的扩散-反应连续性损伤模型是在三维空间中建立的。该模型中的控制方程(即扩散-反应方程)依赖于三维空间坐标(x，y，z)。为了便于计算方程组的解析解、确定相关的材料参数、并与实验结果进行对比，通常需要将三维方程组化简为一维方程组的形式(即只依赖于空间坐标x)。具体简化的步骤如下：
构建三维的扩散-反应连续性损伤模型，对三维的扩散-反应连续性损伤模型进行简化处理后，获得一维的扩散-反应连续性损伤模型；
其中，一维的扩散-反应连续性损伤模型的扩散-反应方程为：
对于一维初边值问题可提出以下方程组，形成模型的控制方程如下：
其中，U是自由氧的量，P是扩散系数，D表示在局部材料点处被氧化的金属的分数，称为氧化损伤变量，是空间梯度算子，C为自由氧的浓度，n为微小表面积ds的法向矢量，Poxi和Pmet分别是氧化物和金属中氧的扩散系数，C*表示反应氧的浓度，/>是代表高铬钢中反应氧的最大浓度的材料参数，C0为外部氧气浓度，P1是氧气在高铬钢样品与外部空间之间的传递系数，t表示时间，b代表反应阶数，k代表反应速率。
S2、确定扩散-反应方程与损伤演化方程的参数。
对一维模型进行数值求解，并确定材料模型的参数。对一维的模型进行离散化处理，对损伤演化方程进行积分处理，即：
循环迭代计算Ci和Di，增加求解的稳定性和精度；具体地，其中的措施包括：适当增加离散点的个数，求解设置为非负解，设置较小的收敛值等。
基于实验数据，确定模型中的参数，其特征主要包括：
1、增重与氧化层厚度呈线性关系。
2、反应速率与扩散系数大致符合Arrhenius方程变化规律。
3、由范德华方程计算氧气摩尔体积从而算得氧气的摩尔浓度。
4、使用最小二乘法优化参数。
结合上述特征进行求解，获得模型的参数，获得最终的扩散-反应连续性损伤模型。
S3、将确定参数后的扩散-反应连续性损伤模型植入预设软件进行运行，实现对高铬钢构件高温氧化腐蚀的连续损伤预测。
在建立模型与确定参数后，可将其植入到有限元程序或软件(如ABAQUS，ANSYS，COMSOL等)中，从而全面模拟三维高铬钢构建的高温氧化行为。考虑到使用ANSYS软件实现扩散-反应连续性损伤模型的便利性，本实施例选用ANSYS软件对高铬钢构件的高温氧化进行有限元模拟。具体包括以下步骤S31-S32：
S31、将扩散-反应连续性损伤模型输入ANSYS软件进行运算；
S32、在运算过程中，所述扩散-反应连续性损伤模型中的每个积分点将调用ANSYS软件的UserMatTh子程序进行运算，运算过程包括数据输入、计算输入输出-变量和输出变量，以及数据输出；
所述数据输入包括：在ANSYS软件的有限元模拟的每个时间增量步中，将温度、温度梯度以及材料点处的时间和温度增量输入到UserMatTh子程序中；
所述计算输入输出-变量和输出变量包括：在UserMatTh子程序中，采用后向差分法求解损伤演化方程，获得状态变量D的值；基于状态变量D的值，计算出热通量向量、热通量的变化率、空间梯度和热源；
所述数据输出包括：输入-输出变量和输出变量将传递给ANSYS软件，继续进行下一次计算。
所述ANSYS软件为用户提供了进行二次开发的子程序，用户可以根据需要，利用子程序定义复杂材料的本构模型、设计优化算法等进行二次开发。其中，UserMatTh子程序是众多ANSYS子程序中的一个，用于定义材料的热响应。本实施例利用了UserMatTh和扩散方程与热传导方程的相似性，对ANSYS软件进行二次开发，使扩散-反应连续性损伤模型得以在ANSYS软件中实现。具体地，利用扩散方程与热传导方程的相似性：UserMatTh子程序中的温度变量可表示自由氧浓度C，氧化损伤变量D被视为状态变量，UserMatTh子程序中的热源表示反应项(即-k(1-D)Cb)。
将扩散-反应连续性损伤模型进一步实施到ANSYS软件的UserMatTh子程序中，求解过程中，单元的每个积分点将调用UserMatTh子程序进行计算，包括数据输入，计算输入输出-变量和输出变量和数据输出：
数据输入：在有限元模拟的每个时间增量步中，将温度，温度梯度以及一个材料点处的时间和温度增量输入到UserMatTh子程序中。
计算输入输出-变量和输出变量：在子程序中，首先通过后向差分法求解损伤演化方程。利用状态变量D的值，可以计算出热通量向量，热通量的变化率和空间梯度，热源和其他变量。其中，所述输入输出-变量，即变量初值由外部有限元程序输入到UserMatTh子程序中，经计算后将变量的更新值从UserMatTh子程序输出至外部有限元程序，包括氧化损伤变量D和氧气浓度消耗率-k(1-D)Cb。所述输出变量，即变量值无需由外部有限元程序输入，UserMatTh子程序经计算直接得到变量的更新值并输出至外部有限元程序，包括扩散通量向量及该向量关于氧浓度和氧浓度梯度的导数。
数据输出：输入-输出变量和输出变量将传递给ANSYS，继续进行下一次计算。
进一步作为可选的实施方式，由于所涉及变量在空间和时域上的剧烈变化，为了提高计算的稳定性和精度，本实施例对有限元模拟做了如下改进：
1、采用热瞬态分析模式。
2、启用自动时间步长，并分步加载，设定时间增量的最大值随时间的增加而增加。
3、激活非线性分析中的预测校正。
4、适当放松收敛准则。
5、限制浓度的最大最小值。
具体实施例
结合图3，对上述方法进行详细的解释说明，包括但不限于以下步骤：
步骤1：构建一维的扩散-反应连续性损伤模型。具体可采用上述步骤S1的步骤构建扩散-反应连续性损伤模型。
步骤2：对一维的扩散-反应连续性损伤模型进行数值求解，并确定材料模型的参数。
将步骤1中的一维模型离散化处理，对损伤演化方程进行积分，即：
循环迭代计算Ci和Di，增加求解的稳定性和精度，其措施包括：适当增加离散点的个数，求解设置为非负解，设置较小的收敛值等。
1、基于实验数据，确定模型中的材料参数，其特征包括：
2、增重与氧化层厚度呈线性关系。
3、反应速率与扩散系数大致符合Arrhenius方程变化规律。
4、由范德华方程计算氧气摩尔体积从而算得氧气的摩尔浓度。
5、使用最小二乘法优化参数。
为了获得一些具体结果，上述方程组中的参数值需要被确定，这些参数包括通过假定氧化层中的固体材料已被完全氧化，氧化层中的反应氧浓度C*应达到最大值/>然后可以通过计算增重与氧化层的厚度之间的比率来确定的近似值。在超临界水(25MPa)中，在500℃，550℃和600℃时，氧气的体积比浓度分别为458ppb，1146ppb和2460ppb。通过使用范德华方程，可以将这些数据转换为摩尔浓度，从而获得不同温度下的C0值。优选地，选择b＝1。对于其余参数k，Poxi，Pmet和P1，目前尚无足够的实验数据直接确定其值。因此，这些参数通过在不同温度下超临界水中P92钢的时间-氧化增重曲线的拟合来确定。采用最小二乘法求解最优参数。表1列出了P92钢在500℃，550℃和600℃下确定的参数值。利用这些参数，P92钢的时间增重曲线的拟合结果如图4所示。
表1
使用表1中给出的参数，可以通过MATLAB中的“pdepe”函数解决步骤1中的一维初边值问题。在图5-图7中，图5为P92钢样品在500℃下的自由氧浓度和氧化损伤的演变示意图；图6为P92钢样品在550℃下的自由氧浓度和氧化损伤的演变示意图；图7为P92钢样品在600℃下的自由氧浓度和氧化损伤的演变示意图。由图5-图7可以看出，温度对P92钢的氧化行为有重要影响，这些结果与实验观察结果基本一致。其中，表1中的参数为在超临界水环境(25MP)中，分别在500℃、550℃和600℃下获得的参数。
根据氧化损伤变量D的分布，整个样本可以分为三个区域。在外侧和内测区域，有D＝1和D＝0，分别对应于氧化层和初始材料区域。在中间区域，变量0<D<1，仅代表氧化物和初始材料之间的过渡区域。因此，高铬钢氧化皮的多层结构也可以通过当前的模型进行定性模拟。
步骤3：将一维的扩散-反应连续性损伤模型进一步实施到ANSYS软件的UserMatTh子程序中。
利用扩散方程与热传导方程的相似性：UserMatTh子程序中的温度变量可表示自由氧浓度C，氧化损伤变量D被视为状态变量，UserMatTh子程序中的热源表示反应项(即-k(1-D)Cb)。
求解过程中，单元的每个积分点将调用UserMatTh子程序进行计算，包括数据输入，计算输入输出-变量和输出变量和数据输出：
数据输入：在有限元模拟的每个时间增量步中，将温度，温度梯度以及一个材料点处的时间和温度增量输入到UserMatTh子程序中。
计算输入输出-变量和输出变量：在子程序中，首先通过后向差分法求解损伤演化方程。利用状态变量D的值，可以计算出热通量向量，热通量的变化率和空间梯度，热源和其他变量。
数据输出：输入-输出变量和输出变量将传递给ANSYS，继续进行下一次计算。
由于所涉及变量在空间和时域上的剧烈变化，为了提高计算的稳定性和精度，本发明对有限元计算做了如下改进：
1、采用热瞬态分析模式。
2、启用自动时间步长，并分步加载，设定时间增量的最大值随时间的增加而增加。
3、激活非线性分析中的预测校正。
4、适当放松收敛准则。
5、限制浓度的最大最小值。
因为UserMatTh子程序暂不支持一维或二维单元，在对UserMatTh子程序进行验证时，几何模型采用150μm×1μm×1μm的三维P92钢棒。钢棒的左端和右端受到步骤1所提出的边界条件的约束。在棒的另一端，自由氧的扩散系数为零。参见图8，可选地，沿轴向将钢棒分为300个单元，单元类型为Solid278。从UserMatTh子程序获得的结果与MATLAB计算的结果非常接近，在图4中，绘制了从有限元仿真获得的时间增重曲线，几乎与从MATLAB获得的曲线重合，说明了UserMatTh子程序的有效性。
第一个示例是对P92钢管进行模拟，参见图9，钢管的内半径r＝21.9mm，外半径R＝25.4mm。管的内表面在550℃的超临界水环境中暴露，外部自由氧浓度选择为C0＝3.5810- 2mol/m3(参见表1)。在管的外表面上，自由氧浓度C设定为0。由于管的状态在轴向上是轴对称且均匀的，因此无需考虑整个管的集合结构，而只需选择角度为0.004°且轴向长度为0.5μm的小扇形段。本实施例中仍采用ANSYS中的Solid278单元。沿管的径向方向，生成了不同大小的单元。在内部区域[r，r+0.15mm]时，单元尺寸为0.5μm，而在外部区域[r+0.15mm，R]中，单元尺寸为10μm。对P92钢管在1000h内的氧化行为进行了有限元模拟。最终时刻，管中的氧化损伤分布如图10所示。可以看出，在管的内表面上形成了总厚度约为28μm的氧化皮。氧化皮具有两层结构。第一层是氧化层，其中基体材料已被完全氧化。第二层是氧化过渡区，损伤变量从1到0逐渐变化。图11显示了随着时间的增加，管中氧化损伤的演变。可以看出，在当前模型中获得的氧化损伤演化特征与一维问题获得的结果非常相似(参见图6)。
参见图12-图13，第二个示例是对高铬钢中晶粒结构的氧化行为进行了定性模拟。在此示例中，研究对象是使用Voronoi镶嵌技术构建的P92钢试样。参见图12，标本的平面内面积为150μm×150μm，厚度为0.5μm。样品中有6个晶粒，平均尺寸为61μm。晶界的宽度设定为2μm。通过在ANSYS中使用Solid278单元对样品进行网格划分。参见图13，网格的平均大小为0.8μm，样本中总共约有35000个单元。表1列出的参数在当前示例中仍然采用。优选地，将晶界的扩散系数设置为晶粒的5000倍。样品的左侧是氧化侧，在550℃下与超临界水接触，在样品的另一侧，自由氧的扩散通量设置为0。对多边形P92钢试样在200h内的氧化行为进行了有限元模拟。图14显示了样品在50h时自由氧浓度和氧化损伤的分布，图15显示了样品在100h时自由氧浓度和氧化损伤的分布，图16显示了样品在150h时自由氧浓度和氧化损伤的分布，图17显示了样品在200h时自由氧浓度和氧化损伤的分布，这些结果与实验观察结果基本一致。
综上所述，本实施例的一种高铬钢构件高温氧化腐蚀的连续损伤预测方法，相对于现有的预测方法，包括以下有益效果的至少之一：
(1)、具有完善的理论模型。本实施例提出的扩散-反应连续性损伤模型，从氧化机理出发，不仅可以描述高铬钢的氧化现象，还可以解释高铬钢的氧化特征，相比于现有的模型，具有一定的先进性。
(2)、可以实现对高铬钢构件氧化响应的精确预测。
(3)、对高铬钢构件氧化行为及损伤的有效模拟和预测。本实施例提出的扩散-反应连续性损伤模型，不仅可以预测高铬钢试样在氧化过程中的响应，而且具有描述高铬钢试样氧化损伤的分布的能力。因此，该模型将有助于实际应用中高铬钢构件的设计和剩余寿命评估。
如图18所示，本实施例还提供了一种高铬钢构件高温氧化腐蚀的连续损伤预测系统，包括：
模型构建模块，用于构建扩散-反应连续性损伤模型，所述扩散-反应连续性损伤模型包括扩散-反应方程与损伤演化方程；
参数确定模块，用于确定扩散-反应方程与损伤演化方程的参数；
损伤预测模块，用于将确定参数后的扩散-反应连续性损伤模型植入预设软件进行运行，实现对高铬钢构件高温氧化腐蚀的连续损伤预测。
本实施例的一种高铬钢构件高温氧化腐蚀的连续损伤预测系统，可执行本发明方法实施例所提供的一种高铬钢构件高温氧化腐蚀的连续损伤预测方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。
可以理解的是，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (6)
1.一种高铬钢构件高温氧化腐蚀的连续损伤预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建扩散-反应连续性损伤模型，所述扩散-反应连续性损伤模型包括扩散-反应方程与损伤演化方程；
确定扩散-反应方程与损伤演化方程的参数；
将确定参数后的扩散-反应连续性损伤模型植入预设软件进行运行，实现对高铬钢构件高温氧化腐蚀的连续损伤预测；
所述扩散-反应连续性损伤模型基于以下方程进行构建：
扩散定律：
扩散系数：P(D)＝Pmet+(Poxi-Pmet)D2；
质量反应定律：
氧化损伤变量：
其中，U为自由氧的量，P为扩散系数，D表示在局部材料点处被氧化的金属的分数，称为氧化损伤变量，为空间梯度算子，C为自由氧的浓度，n为微小表面积的法向矢量，Poxi和Pmet分别为氧化物和金属中氧的扩散系数，C*表示反应氧的浓度，/>代表高铬钢中反应氧的最大浓度的材料参数，t表示时间；b代表反应阶数，k代表反应速率；
所述确定扩散-反应方程与损伤演化方程的参数，包括：
对扩散-反应方程进行离散化处理，对损伤演化方程进行积分处理；
结合预设的实验数据和收敛值，对扩散-反应方程和损伤演化方程进行循环迭代处理，获得扩散-反应方程与损伤演化方程的参数；
所述扩散-反应方程为：
所述损伤演化方程为：
其中，x、y和z分别代表三维空间上的坐标；
所述构建扩散-反应连续性损伤模型，包括：
构建三维的扩散-反应连续性损伤模型，对三维的扩散-反应连续性损伤模型进行简化处理后，获得一维的扩散-反应连续性损伤模型；
其中，一维的扩散-反应连续性损伤模型的扩散-反应方程为：
2.根据权利要求1所述的一种高铬钢构件高温氧化腐蚀的连续损伤预测方法，其特征在于，获得最终的扩散-反应连续性损伤模型如下所示：
其中，C0为外部氧气浓度，P1为氧气在高铬钢样品与外部空间之间的传递系数，L为试样的长度。
3.根据权利要求2所述的一种高铬钢构件高温氧化腐蚀的连续损伤预测方法，所述损伤演化方程积分处理后的方程为：
4.根据权利要求3所述的一种高铬钢构件高温氧化腐蚀的连续损伤预测方法，其特征在于，所述预设软件为ANSYS软件，所述将确定参数后的扩散-反应连续性损伤模型植入预设软件进行运行，包括：
将扩散-反应连续性损伤模型输入ANSYS软件进行运算；
在运算过程中，所述扩散-反应连续性损伤模型中的每个积分点将调用ANSYS软件的UserMatTh子程序进行运算，运算过程包括数据输入、计算输入输出-变量和输出变量，以及数据输出；
所述数据输入包括：在ANSYS软件的有限元模拟的每个时间增量步中，将温度、温度梯度以及材料点处的时间和温度增量输入到UserMatTh子程序中；
所述计算输入输出-变量和输出变量包括：在UserMatTh子程序中，采用后向差分法求解损伤演化方程，获得状态变量D的值；基于状态变量D的值，计算出热通量向量、热通量的变化率、空间梯度和热源；
所述数据输出包括：输入-输出变量和输出变量将传递给ANSYS软件，继续进行下一次计算。
5.根据权利要求4所述的一种高铬钢构件高温氧化腐蚀的连续损伤预测方法，其特征在于，还包括对有限元模拟进行改进的步骤，具体为：
采用热瞬态分析模式；
启用自动时间步长，并分步加载，设定时间增量的最大值随时间的增加而增加；
激活非线性分析中的预测校正。
6.一种高铬钢构件高温氧化腐蚀的连续损伤预测系统，其特征在于，包括：
模型构建模块，用于构建扩散-反应连续性损伤模型，所述扩散-反应连续性损伤模型包括扩散-反应方程与损伤演化方程；
参数确定模块，用于确定扩散-反应方程与损伤演化方程的参数；
损伤预测模块，用于将确定参数后的扩散-反应连续性损伤模型植入预设软件进行运行，实现对高铬钢构件高温氧化腐蚀的连续损伤预测；
所述扩散-反应连续性损伤模型基于以下方程进行构建：
扩散定律：
扩散系数：P(D)＝Pmet+(Poxi-Pmet)D2；
质量反应定律：
氧化损伤变量：
其中，U为自由氧的量，P为扩散系数，D表示在局部材料点处被氧化的金属的分数，称为氧化损伤变量，为空间梯度算子，C为自由氧的浓度，n为微小表面积的法向矢量，Poxi和Pmet分别为氧化物和金属中氧的扩散系数，C*表示反应氧的浓度，/>代表高铬钢中反应氧的最大浓度的材料参数，t表示时间；b代表反应阶数，k代表反应速率；
所述确定扩散-反应方程与损伤演化方程的参数，包括：
对扩散-反应方程进行离散化处理，对损伤演化方程进行积分处理；
结合预设的实验数据和收敛值，对扩散-反应方程和损伤演化方程进行循环迭代处理，获得扩散-反应方程与损伤演化方程的参数；
所述扩散-反应方程为：
所述损伤演化方程为：
其中，x、y和z分别代表三维空间上的坐标；
所述构建扩散-反应连续性损伤模型，包括：
构建三维的扩散-反应连续性损伤模型，对三维的扩散-反应连续性损伤模型进行简化处理后，获得一维的扩散-反应连续性损伤模型；
其中，一维的扩散-反应连续性损伤模型的扩散-反应方程为：
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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