UNS N10003合金高温蠕变理论模型与数值模拟研究及应用
文献类型：学位论文
| 作者 | 王晓艳 |
| 答辩日期 | 2018-12-01 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) |
| 授予地点 | 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) |
| 导师 | 王晓 |
| 关键词 | UNS N10003合金 蠕变损伤 蠕变-疲劳 蠕变-屈曲 反应堆压力容器 |
| 英文摘要 | 蠕变-疲劳以及蠕变-屈曲失稳是钍基熔盐堆(Thorium Molten Salt Reactor,TMSR)反应堆压力容器(简称“堆容器”)的主要失效形式。对于这两种失效形式,目前高温核设计规范(如ASME-NH)主要采用弹性或非弹性方法进行分析与评定。TMSR堆容器关键部位(如接管区域)的蠕变效应显著,且应力水平超过了弹性分析准则的限值,故需要进行非弹性蠕变-疲劳损伤分析。另外,高温结构的屈曲失稳评定也要求进行非弹性的蠕变-屈曲分析。然而,目前采用非弹性分析方法进行TMSR堆容器的蠕变-疲劳损伤与蠕变-屈曲分析还存在以下问题:一方面,国内外缺少TMSR堆容器关键结构材料——镍基UNS N10003合金的蠕变损伤与蠕变-疲劳损伤理论模型的相关研究;另一方面,与蠕变损伤及蠕变-屈曲相关的数值模拟技术尚不成熟。这给TMSR堆容器的高温结构完整性评定工作带来了较大的困难和挑战。本文基于连续损伤力学理论,建立了适用于高温镍基UNS N10003合金的非弹性蠕变损伤模型,并发展了其数值模拟技术;研究了该合金的非弹性多轴蠕变-疲劳损伤模型,并进行了参数敏感性分析及寿命预测模型的对比;同时基于蠕变损伤模型,对长圆柱壳蠕变-屈曲的数值计算方法进行了探讨;最后应用上述理论模型与数值计算方法对TMSR堆容器进行了非弹性蠕变-疲劳损伤以及蠕变-屈曲的分析与评定。本文的主要研究成果如下:(1)获得了650℃下UNS N10003合金的Norton蠕变模型与K-R蠕变损伤模型,分析表明K-R模型更适合描述UNS N10003合金的蠕变损伤行为;提出了修正的K-R蠕变损伤模型,该模型比K-R原始模型具有更高的精度;自定义了UMAT子程序,能够在ABAQUS软件中有效地实现修正的K-R模型的数值模拟,其有限元计算结果与理论值基本一致,且具有良好的数值收敛性。(2)获得了650℃下UNS N10003合金的Lemaitre多轴蠕变-疲劳损伤模型,蠕变-疲劳损伤的理论预测值与试验值相比偏保守;应力三轴比、泊松比、寿期内的循环次数等因素均对其理论预测结果均有一定影响,其中应力三轴比对损伤最敏感。(3)蠕变-屈曲的数值研究结果表明,采用修正的K-R蠕变损伤模型能够准确模拟长圆柱壳长时间的蠕变-屈曲行为;等时应力-应变法可作为一种简化的蠕变-屈曲分析方法,其数值解相对更加保守;圆柱壳的径厚比与几何偏差、能量耗散率的设置、有限元网格密度以及边界约束等均对临界蠕变-屈曲载荷非常敏感。(4)采用UNS N10003合金的蠕变损伤与蠕变-疲劳损伤本构模型,以及蠕变-屈曲的数值模拟技术对钍基熔盐液态实验堆(TMSR-LF1)堆容器进行了非弹性蠕变-疲劳损伤与蠕变-屈曲分析。分析结果表明,正常运行工况下,堆容器满足非弹性蠕变-疲劳的损伤限值要求;堆容器通道套管满足蠕变-屈曲失稳限值要求。本文研究的主要创新点如下:(1)对镍基UNS N10003合金的高温蠕变特性进行了研究,并基于连续损伤力学理论,提出了修正的K-R蠕变损伤本构模型,该模型能够准确地模拟650℃下UNS N10003合金的非弹性蠕变损伤行为;(2)获得了UNS N10003合金的Lemaitre多轴蠕变-疲劳损伤模型,该模型对于TMSR高温设备的非弹性蠕变-疲劳损伤分析具有普遍适用性;(3)提出基于修正的K-R蠕变损伤模型的蠕变-屈曲数值计算方法,该方法考虑了损伤对蠕变-屈曲寿命的影响,对于TMSR高温结构的蠕变-屈曲失稳行为模拟具有普遍适用性。本文提出的UNS N10003合金的高温蠕变理论模型以及相关的数值模拟技术为TMSR堆容器的蠕变-疲劳损伤以及蠕变-屈曲失稳评定提供了非弹性分析的理论与数值计算基础,同时对ASME-NH规范的非弹性高温结构完整性评定方法进行了有益补充。本文的研究成果不仅对TMSR堆容器的安全评估具有重要的工程意义,而且对其它高温部件的蠕变失效研究也同样具有指导意义。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 146 |
| 源URL | [http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/31258]  |
| 专题 | 上海应用物理研究所_中科院上海应用物理研究所2011-2017年 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 王晓艳. UNS N10003合金高温蠕变理论模型与数值模拟研究及应用[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 2018. |
入库方式： OAI收割
来源：上海应用物理研究所
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