CN112651150B - 一种Al2O3/316L不锈钢阻氚系统表面多重裂纹行为的扩展有限元模拟分析方法 - Google Patents

一种Al2O3/316L不锈钢阻氚系统表面多重裂纹行为的扩展有限元模拟分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于实验聚变堆中阻氚涂层系统的技术领域，特别涉及一种用于Al2O3/316L不锈钢阻氚系统表面多重裂纹行为的扩展有限元模拟分析方法。其为了研究聚变堆运行中，阻氚涂层受多重物理场耦合影响下造成的表面多重裂纹扩展的力学行为。本发明专利基于Abaqus软件，在参照实际样品前提下，将含有多重表面裂纹的阻氚系统简化为单一裂纹单元体，随后将此单元体进行扩展有限元求解。本方法有效克服了之前繁复的阻氚涂层多重裂纹建模、网划分格等缺点，高效地模拟出阻氚涂层在外部载荷作用下，表面多重裂纹的关键物理量。提高了计算效率，为高性能阻氚涂层的设计提供理论指导。

Description

一种Al2O3/316L不锈钢阻氚系统表面多重裂纹行为的扩展有 限元模拟分析方法
技术领域
本发明属于实验聚变堆中阻氚涂层系统的技术领域，特别涉及一种用于Al2O3/316L不锈钢阻氚系统表面多重裂纹行为的扩展有限元模拟分析方法。
背景技术
受控核聚变经过几十年的不懈努力，实验聚变堆目前已处于建设阶段。并且，随着磁约束国际热核聚变堆(International ThermonuclearExperimental Reactor，ITER)计划的实施和发展，研究满足ITER及未来先进聚变堆要求的阻氚涂层是当前聚变堆相关研究中的热点和难点之一，其性能是决定聚变堆能否实现安全运行的关键。
聚变堆氚增值包层内增殖产生的氚极易通过包层结构材料向外渗透。这不但会造成氚的流失，引起放射性污染，还将引发包层结构材料发生脆化、肿胀，给聚变反应堆带来灾难性的后果。研究表明，为了阻止氚的渗透，同时保持结构材料的整体性能，最有效的方法即在结构材料表面沉积阻氚涂层。氚在金属中以间隙原子的形式扩散，具有较强的渗透能力，但在陶瓷材料中的渗透却是以类似分子的形式扩散，渗透能力低，比在金属中低几个数量级。因此，为了有效地阻止氚的渗透，在基底材料表面沉积相应的陶瓷阻氚涂层是较为实际的方法。在众多陶瓷阻氚涂层材料中，由于Al2O3具有良好的阻氚渗透率，优异的耐腐蚀性和热稳定性，被认为是有希望的阻氚涂层候选材料之一。同时，316L不锈钢在众多钢结构中具有氚渗透率低、强度高、塑性好等优势。因此，以316L不锈钢为基体，在其表面沉积Al2O3作为阻氚涂层系统是目前研究的重点。
在聚变堆高温或交变热场、交变辐照场等多物理场耦合的中作用下，由于涂层材料晶格常数、热膨胀系数等与基底材料差异较大，加上涂层与基底材料异质界面的非连续和非共格的本征特性，在涂层与基底的交界面处，不可避免地会引起应力集中现象。应力集中将会诱发涂层表面产生裂纹，进而造成涂层脱落，即表现出膜基结合强度不足的特点。因此，研究涂层系统中裂纹扩展过程，对提高涂层使用寿命和揭示其失效机制有着重要作用。除此之外，由于阻氚涂层厚度较薄，裂纹实验的差异性、复杂性，以及实验工况所需的财力、物力投入巨大的特点，通过实验方法量化裂纹相关力学性能目前仍存在巨大挑战。
与此相对，在与材料和机械领域有关的断裂问题上，采用扩展有限元模拟方法，可以有效缩短实验时间、提高工作效率、节约实验费用，为相关科学的研发提供理论基础以及结构设计指导。
目前在阻氚涂层领域中，已经开展了一部分有限元的研究，主要集中在热应力、温度场分布以及位移测量等方面。但是对于阻氚系统中，涂层表面多重裂纹力学问题的研究方法却鲜有报道。仅有的多重裂纹研究主要存在模型复杂、计算量大、后期收敛性差的缺点。这主要是由于在实际裂纹开裂过程中，每条裂纹尖端都会出现应力集中。在后期计算过程中，为了更好的提取裂纹应变能释放率以及应力，会对裂纹尖端实施网格加密的过程。由于裂纹与整体模型系统为一个整体，网格的加密势必导致整体模型网格数量、节点、单元增加，不利于后期的计算。因此迫切需要开发一种基于扩展有限元技术的简洁新方法来解决此问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于Al2O3/316L不锈钢阻氚系统表面多重裂纹行为的扩展有限元模拟分析方法，包括以下步骤：
(1)前期几何模型的建立
①按照实验室中通过射频磁控溅射方法将Al2O3沉积在圆形316L不锈钢表面做成的样品，构建模型。在Abaqus软件Geometry模块中，将整体模型等效为圆柱体。由于三维模型具有轴对称性，因此可以将该系统简化为在X-Y平面内的二维模型进行分析。根据实体样品参数，设定模型的涂层厚度为h＝0.22um，基底厚度为H＝0.5mm，直径为 D＝30mm。
②根据扫描电镜得到的多重表面裂纹分布实际情况，在涂层中设置对应的表面预制裂纹。由于实体样品裂纹分布具有近似的周期性，因此为了便于后期建模，将裂纹设置为等距。每条裂纹的间距通过电镜扫描结果加权平均得到，值为L＝25um。选取中心区域两条裂纹的中点的垂线作为对称轴，并且提取右端部分作为分析对象。预制裂纹建模过程中，以中心轴节点为原点，第一条裂纹坐标选取在
Figure RE-BDA0002809099720000031
处，依次以L的间距划分预制裂纹。
(2)几何模型的二次处理
根据步骤(1)建立的模型，进一步简化。由于涂层中裂纹长度相比于裂纹间距较小(比率大于1:100)，根据计算结果表明，裂纹间距中点连线处，应变接近为0，整体应变相比于无裂纹状态无明显差异。由此可以判断，多重裂纹之间的相互作用较小。进而可将多重裂纹模型看作由含有单条裂纹单元体依次叠加所构成的整体。整体模型可简化为受外部影响最为明显的含有单条裂纹的单元体进行分析，进而可对整体失效方式做出有效判断。对于Al2O3/316L不锈钢模型，整体受到外部影响时，边缘部位受到束缚作用较小，可变形的空间较大，有利于能量的释放。同时基于之前计算得到的边缘区域应变接近为0，可以判断此位置不是典型区域。相比于边缘区域，中心部位由于材料的束缚性强，可够扩展的空间较少，裂纹在此区域应力集中明显，易于裂纹延展。因此，以对称轴为起始点，x＝L为终点的裂纹单元体是本方法考虑的重点。
(3)材料设置与网格划分
分别在properties模块中，对Al2O3涂层以及316L不锈钢基底赋予材料的泊松比、密度、屈服强度。模型整体选择平面应变网格划分方法，在预制裂纹尖端以及尾部分别采取不同的方式进行网格划分。对于裂纹尖端处由于应力集中较为明显，因此是网格划分的重点区域。创建一个半径为0.5μm圆形区域，对此裂纹区域采用长度较小的网格，来提高计算精度。圆形区域外围裂纹的网格长度可适当增加。圆形区域内部网格通过sweep模式划分，其余部分采用Quad模式划分。对于整体系统，因为涂层厚度相比于基底较薄，为了更好体现涂层应力，涂层的单元长度为0.1，基底单元长度选取为0.2。
(4)边界载荷加载计算
设置相对应的边界条件:采用沿Y方向1％应变，来代替多物理场耦合造成的整体载荷效果，将此应变施加到涂层表面的每个节点。为了与实际工况更好的吻合，限制Al2O3/316L 不锈钢系统模型的对称轴及最右边边界节点沿X轴位移。限制单元体底部的每个节点沿Y 轴的位移，并禁止其发生转动。设置裂纹影响控制：裂纹的扩展方向为(0，-1)，裂纹奇异性设置为0.25,整条裂纹线选取collapsed element side,duplicate nodes进行控制。
(5)加载计算与结果表征
在job中选取创建新计算内容，job类型选取为full analysis，job type选择为background, submit time选择为immediately，随后在step中设置输出。在domain中选择之前模型中创建的裂纹，number of contours中选择8，type中选择stress intensityfactors中的maximum energy release，随后提交运算。
通过计算结果，可以得到Al2O3/316L不锈钢阻氚系统中不同长度表面裂纹对应的应力及应变能释放率。数据经过后期origin软件处理，可以得到随着裂纹长度的增加，应力和应变能释放率的变化趋势规律。
本发明的有益效果：提供了一种用于Al2O3/316L不锈钢阻氚系统表面多重裂纹行为的扩展有限元模拟分析方法，计算了不同裂纹长度下系统的应力分布及应变能释放率。此方法通过借助于科学的模型简化过程并结合扩展有限元技术，将复杂的问题简单化，有效降低了网格数量和计算量，从而提高了计算精度。设计过程方便快捷，设计思路清晰易懂，使用过程方便简单。
附图说明
本说明书包括以下附图，所示内容分别是:
图1为Al2O3以及316L不锈钢的材料力学属性。
图2为具有表面多重裂纹的扩展有限元模型。
图3为含有单条裂纹的单元体模型及边界条件。
图4为网格划分情况。
图5为含有不同长度的裂纹应力分布云图。
图6为Al2O3/316L不锈钢阻氚系统中，不同长度的表面裂纹对应变能释放率的影响。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式进一步详细说明，目的是为了帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。
Al2O3/316L不锈钢阻氚系统表面多重裂纹扩展过程的有限元模拟分析方法，其包括以下步骤：
(1)前期几何模型的建立
①如图2所示，为按照实验室中通过射频磁控溅射方法将Al2O3沉积在圆形316L不锈钢表面做成的样品所构建模型。在Abaqus软件Geometry模块中，将整体模型等效为圆柱体。由于三维模型具有轴对称性，因此可以将该系统简化为在X-Y平面内的二维模型进行分析。根据实体样品参数，设定模型的涂层厚度为h＝0.22um，基底厚度为H＝0.5mm，直径为D＝30mm。涂层和基底分别设置为独立个体，并且在Assembly模块中，将二者进行装配，涂层和基底之间采用bond命令进行结合。
②根据扫描电镜得到的多重表面裂纹分布实际情况，在软件Partition模块中设置对应的表面预制裂纹，裂纹的扩展方向为(0，-1)，裂纹奇异性设置为0.25。由于实体样品裂纹分布具有近似的周期性，因此为了便于后期建模，将裂纹设置为等距。每条裂纹的间距通过电镜扫描结果加权平均得到，值为L＝25um。据扫描电镜结果，选取两条中心裂纹的中点的垂线作为对称轴，并将右端部分作为分析对象。预制裂纹建模过程中，以中心轴节点为原点，第一条裂纹坐标选取在
Figure RE-BDA0002809099720000061
处，依次以L的间距划分预制裂纹。
(2)几何模型的二次处理
根据步骤(1)建立的模型，进一步简化。由于涂层中裂纹长度相比于裂纹间距较小(比率大于1:100)。根据计算结果表明，裂纹间距中点处应变接近为0，涂层应变相比于无裂纹状态差异不明显。因此可以判断多重裂纹之间的相互作用较小，可将多重裂纹模型看作由含有单条裂纹单元体叠加所构成的整体。在符合实际的情况下，只需单独提出较为典型的，受外部影响最为明显的单元体进行分析，即可对整体系统失效做出有效判断。对于Al2O3/316L 不锈钢模型，整体受到外部影响时，边缘单元体受到束缚作用较小，可变形的空间较大，有利于能量的释放，可以判断边缘单元体位置不是典型区域。相比于此区域，中心单元体由于材料的束缚性强，可够扩展的空间较少，裂纹在此区域应力集中明显，易于裂纹延展。因此，以对称轴为起始点，x＝L为终点的裂纹单元体是本方法考虑的重点。如图3所示，为简化后的单元体模型。
(3)材料设置与网格划分
假设涂层和基底具有各向同性、完好的弹塑性性能。分别在properties模块中，对Al2O3涂层以及316L不锈钢基底赋予泊松比、密度、屈服强度。如图4所示为单元体网格划分情况。单元类型选择为平面应变模式，采用四节点结构平面单元(CPEGR)网格进行处理。因为涂层厚度相比于基底较薄，为了更好体现涂层应力，涂层的单元长度为0.1，基底单元长度选取为0.2。由于前期涂层和基底在模型设置中采用的为bond连接方式，在网格划分中涂层与基底在交界位置共节点，这样有利于后期计算得到的涂层与基底交界面区域的应力分布具有均匀性，不会产生力的畸变，符合真实效果。在预制裂纹尖端以及尾部分别采取了不同尺度的网格划分方法。对于裂纹尖端区域，以裂纹尖端为圆心，创建一个半径为0.5μm 圆形，圆形边界线划分为等距24段，此区域包围的局部裂纹均分6段，网格单元控制中圆形区域内部网格通过sweep模式划分。外部裂纹分割数量小于内部，分割数量为4，采用 Quad模式划分。
(4)边界条件
设置相对应的边界条件。采用沿Y方向1％应变，来代替多物理场耦合造成的整体载荷效果，将此应变施加到涂层表面的节点。为了与实际工况更好的吻合，限制Al2O3/316L不锈钢系统模型的对称轴及最右边边界节点沿X轴位移。限制模型底部的每个节点沿Y轴的位移，并限禁止转动。裂纹尖端的middle side nodes选择参数为0.25。裂纹奇异性部分设置中节点参数部分为0.25，整条裂纹线的单元部分选取collapsed element side,duplicate nodes 进行控制。
(5)结果表征与分析
通过计算结果可以得到1％纵向应变的情况下，Al2O3/316L不锈钢阻氚系统中不同长度表面裂纹的应力及应变能释放率。通过后期origin等相关软件，可以定量的判断随着裂纹长度的增长，应变能释放率和应力的变化趋势。图5所示为含有不同长度裂纹的系统中应力分布云图。由图可知，裂纹左右表现出高拉应力区域，其值沿着裂纹中心向两侧逐渐降低。裂纹尖端两侧出现类似花瓣形的低拉应力区域。最大应力位于裂纹尖端处。随着裂纹长度的增加，裂纹左右高拉应力区域不断扩展，低拉应力区域逐渐延伸到基底。并且，裂纹尖端处最大应力值随着裂纹长度的增长而逐渐增加。图6所示为Al2O3/316L不锈钢阻氚系统中，表面不同裂纹长度对应变能释放率的影响。应变能释放率随着裂纹长度的增加而增加。裂纹长度较短时，应变能释放率增加趋势较为明显。随着裂纹长度的增加，应变能释放率增长趋势减缓；
综上所述，本发明的实施例提供了一种Al2O3/316L不锈钢阻氚系统表面多重裂纹行为的扩展有限元模拟分析方法。在参考实际情况的前提下，将含有多重表面裂纹的系统简化为具有典型性的单一裂纹单元体，随后将此单元体进行扩展有限元求解。此方法将之前繁复的阻氚涂层多重裂纹建模、网划分格等过程进行了科学的简单化，有效的提高了计算效率。通过计算结果可以对裂纹扩展中系统应力分布、应变能释放率的变化进行深入探索，为高性能阻氚涂层的设计提供理论指导。
以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于Al2O3/316L不锈钢阻氚系统表面多重裂纹行为的扩展有限元模拟分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）前期几何模型的建立
①在Abaqus软件Geometry模块中，将整体模型等效为圆柱体，随后将该模型简化为在X-Y平面内的二维模型进行分析；
②根据扫描电镜得到的多重表面裂纹实际分布情况，在整体模型中设置对应的表面预制裂纹；
（2）几何模型的二次处理
根据步骤（1）建立的模型，进一步简化；将多重裂纹模型看作由含有单条裂纹单元体依次叠加所构成的整体；将分析模型简化为受外部影响最为明显的含有单条裂纹的单元体进行分析；
（3）材料设置与网格划分
分别在properties模块中，对Al2O3阻氚涂层以及316L不锈钢基底赋予材料的泊松比、密度、屈服强度；单元体选择平面应变网格划分方法，在预制裂纹尖端以及尾部分别采取不同尺度的网格进行划分；
（4）边界载荷加载计算
设置对应的边界条件:采用沿Y方向1%应变，来代替多物理场耦合造成的整体载荷效果，将此应变施加到涂层表面的每个节点；限制Al2O3/316L不锈钢系统单元体的对称轴及最右边边界节点沿X轴位移；限制单元体底部的每个节点沿Y轴的位移，并禁止其发生转动；
（5）加载计算与结果表征
通过计算结果，得到Al2O3/316L不锈钢阻氚系统中不同长度表面裂纹对应的应力及应变能释放率。
2.如权利要求1所述的一种用于Al2O3/316L不锈钢阻氚系统表面多重裂纹行为的扩展有限元模拟分析方法，其特征在于：所述步骤（1）中模型的参数为：涂层厚度h=0.22μm，基底厚度H=0.5mm，直径D=30mm。
3.如权利要求1或2所述的一种用于Al2O3/316L不锈钢阻氚系统表面多重裂纹行为的扩展有限元模拟分析方法，其特征在于：所述涂层和基底分别设置为独立个体，并且在Assembly模块中，将二者进行装配，涂层和基底之间采用bond命令进行结合。
4.如权利要求1或2任一项所述的一种用于Al2O3/316L不锈钢阻氚系统表面多重裂纹行为的扩展有限元模拟分析方法，其特征在于：所述的几何模型的二次处理，包括将裂纹设置为等距；每条裂纹的间距通过电镜扫描结果加权平均得到，值为L=25μm，并根据扫描电镜结果，选取两条中心裂纹的中点的垂线作为对称轴，并且将右端部分作为分析对象；预制裂纹建模过程中，以中心轴节点为原点，第一条裂纹坐标选取在L/2处。
5.如权利要求1或2任一项所述的一种用于Al2O3/316L不锈钢阻氚系统表面多重裂纹行为的扩展有限元模拟分析方法，其特征在于：步骤（2）中所述的单条裂纹的单元体，是以中间裂纹单元代替整体模型；每条裂纹的间距通过电镜扫描结果加权平均得到，间距长度L为25μm；模型以两条中心裂纹的中垂线作为起点，以L=25μm为终点所围区域构成。
6.如权利要求1或2任一项所述的一种用于Al2O3/316L不锈钢阻氚系统表面多重裂纹行为的扩展有限元模拟分析方法，其特征在于：所述的步骤（3）中平面应变网格划分方法为四节点结构平面单元网格划分方法。
7.如权利要求1或2任一项所述的一种用于Al2O3/316L不锈钢阻氚系统表面多重裂纹行为的扩展有限元模拟分析方法，其特征在于：所述的步骤（3）中的裂纹尖端区域，以裂纹尖端为圆心，创建一个半径为0.5 μm圆形，圆形边界线划分为等距24段，此区域包围的局部裂纹6等分，单元控制中圆形区域内部网格通过sweep模式划分；外部裂纹分割数量小于内部，分割数量为4，采用Quad模式划分。
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