一种铅铋堆薄壳材料的蠕变性能评估方法技术

本发明专利技术涉及材料蠕变疲劳寿命评估技术领域，涉及一种铅铋堆薄壳材料的蠕变性能评估方法，包括：步骤S1：以T91不锈钢材料为研究对象开展不同温度下的蠕变实验，对蠕变过程进行分析；提出一种改进的K

【技术实现步骤摘要】
一种铅铋堆薄壳材料的蠕变性能评估方法


[0001]本专利技术涉及材料蠕变疲劳寿命评估
，具体地说，涉及一种铅铋堆薄壳材料的蠕变性能评估方法。

技术介绍

[0002]能源利用问题长期以来都是人类发展的重点难题，开展对能源的研究与利用，不断提高新能源使用率，一直是全球各国研究的重要课题。随着核能的不断发展，目前核电与水电、煤电一起构成了世界能源的三大支柱。同时，核能也是满足能源供应、保证国家安全的重要基础之一。
[0003]第四代核能系统代表了先进核能系统的技术前沿，也是未来核电的发展方向。第四代核能系统主要包括铅铋冷却快堆系统、溶盐反应堆系统、钠冷快堆系统、超临界水堆系统、超高温气冷堆系统和气冷快堆系统六种堆型。在第四代核能系统反应堆组件中，燃料元件包壳的工况条件最为严苛，以铅铋冷快堆为例，由于铅铋冷却快堆燃料元件包壳在高温的环境下进行服役，会产生明显蠕变现象，成为威胁铅铋冷却快堆安全性的重要评价要素。因此，开展针对包壳材料在高温下的蠕变现象研究，分析蠕变演化规律，对解决铅铋冷却快堆包壳结构选材问题具有重要的参考意义及指导作用。

技术实现思路

[0004]为了对铅铋冷却快堆燃料元件包壳在高温环境下服役发生的蠕变现象进行研究并分析蠕变的演化规律，本专利技术提出一种铅铋堆薄壳材料的蠕变性能评估方法，为解决铅铋冷却快堆包壳结构选材问题提供一定指导。
[0005]根据本专利技术的一种铅铋堆薄壳材料的蠕变性能评估方法，其包括以下步骤：
[0006]步骤S1：以T91不锈钢材料为研究对象开展不同温度下的蠕变实验，对蠕变过程进行分析；在Kachanov
‑
Rabotnov蠕变损伤演化方程的基础上提出一种改进的K
‑
R唯象学蠕变损伤模型，给出参考材料常数；
[0007]步骤S2：对改进的K
‑
R唯象学蠕变损伤模型进行数值实现，编写UMAT子程序在ABAQUS中建立有限元模型对T91不锈钢的高温蠕变实验进行模拟；
[0008]步骤S3：采用有限元软件ABAQUS建立了两种有限元分析工程算例模型，并根据改进的K
‑
R唯象学蠕变损伤模型所编撰的UMAT子程序针对T91不锈钢进行高温蠕变预测。
[0009]作为优选，步骤S1包括：
[0010]步骤S11：针对T91不锈钢材料的蠕变实验，其温度控制为3个不同的值，分别是773K、873K和973K，在773K的温度下施加应力分别控制为340MPa、350MPa、360MPa和400MPa，在873K的温度下施加应力分别控制为190MPa、210MPa、220MPa和250MPa，在973K的温度下施加应力分别控制为80MPa、90MPa、100MPa和130MPa；
[0011]步骤S12：Kachanov
‑
Rabotnov蠕变损伤演化方程为下式：
[0012][0013][0014]上式中ω和分别为损伤演化参数和损伤演化率；A，C，q，p和为材料参数；为蠕变应变率；σ为蠕变应力张量；
[0015]步骤S13：对于高温环境下的单轴蠕变拉伸试样，总应变由弹性应变、塑性应变和蠕变应变三部分构成，其表述为下式：
[0016]ε＝ε
e
+ε
p
+ε
c
[0017]式中ε为总应变张量，ε
e
，ε
p
，ε
c
分别为弹性应变张量、塑性应变张量、蠕变应变张量；弹性应变的演化满足胡克定律，其表述为下式：
[0018]σ＝C:ε
e
[0019]式中的C为弹性张量，用6
×
6矩阵表示，其表述为下式：
[0020][0021]式中λ，μ分别为第一和第二拉梅常数，用弹性模量E和泊松比v来表示，其表述为下式：
[0022][0023][0024]提出的改进K
‑
R模型其表述为下式：
[0025][0026][0027]D
cr
＝1
‑
(1
‑
g)
(1/(φ+1))
[0028]式中σ
e
为Mises等效应力；为蠕变应变张量；S
ij
偏应力张量；D损伤变量；σ1为第一主应力；D
cr
为临界损伤值，当D＝D
cr
时，表明材料已达到其蠕变失效寿命；B，n，A，m是与最小的蠕变应变速率及断裂相关的材料常数；φ是损伤常数；ρ，g是考虑损伤非均匀性的常数，ρ是所有损伤微元在材料中所占的体积，g综合反映了材料中损伤微元种类和比例；α是表征多轴失效准则的材料常数。
[0029]作为优选，步骤S2包括：
[0030]步骤S21：在步长为Δt
n
＝t
n+1
‑
t
n
内的蠕变应变和损伤增量采用显式的欧拉积分格式表示，其表述为下式：
[0031][0032][0033]式中Δε
c
(t
n
)、ΔD(t
n
)、分别时间为t
n
时的蠕变增量、蠕变应变率、损伤增量和损伤演化率；
[0034]步骤S22：在有限元计算中，总应变增量Δε
n
是给定的，利用胡克定律确定应力增量Δσ
n
，其表述为下式：
[0035][0036]式中为时间为t
n
时的蠕变增量；
[0037]步骤S23：计算得到t
n+1
时刻的状态变量，其表述为下式：
[0038][0039]D
n+1
＝D
n
+ΔD
n
[0040]σ
n+1
＝σ
n
+Δσ
n
[0041]式中D
n
，σ
n
分别为时间为t
n
时的蠕变、损伤和蠕变应力；
[0042]步骤S24：给出有限元计算的雅各比矩阵J
n+1
，其表述为下式：
[0043][0044]对塑性应变进行离散后得到下式：
[0045][0046]式中为时间为t
n
时的弹性应变增量；
[0047]利用中心差分法得到总应变增量的表达式，其表述为下式：
[0048][0049]式中δ
ij
为克罗内克符号；ε
ij
，σ
ij
，σ
kk
分别为应变分量、应力分量和正应力分量；
[0050]步骤S25：编写UMAT子程序在ABAQUS中对T91不锈钢的高温蠕变实验进行模拟。
[0051]作为优选，步骤S3包括：
[0052]步骤S31：采用有限元软件ABAQUS建立一个二维对称的带缺口圆管管壁本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铅铋堆薄壳材料的蠕变性能评估方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1：以T91不锈钢材料为研究对象开展不同温度下的蠕变实验，对蠕变过程进行分析；在Kachanov
‑
Rabotnov蠕变损伤演化方程的基础上提出一种改进的K
‑
R唯象学蠕变损伤模型，给出参考材料常数；步骤S2：对改进的K
‑
R唯象学蠕变损伤模型进行数值实现，编写UMAT子程序在ABAQUS中建立有限元模型对T91不锈钢的高温蠕变实验进行模拟；步骤S3：采用有限元软件ABAQUS建立了两种有限元分析工程算例模型，并根据改进的K
‑
R唯象学蠕变损伤模型所编撰的UMAT子程序针对T91不锈钢进行高温蠕变预测。2.根据权利要求1所述的一种铅铋堆薄壳材料的蠕变性能评估方法，其特征在于：步骤S1包括：步骤S11：针对T91不锈钢材料的蠕变实验，其温度控制为3个不同的值，分别是773K、873K和973K，在773K的温度下施加应力分别控制为340MPa、350MPa、360MPa和400MPa，在873K的温度下施加应力分别控制为190MPa、210MPa、220MPa和250MPa，在973K的温度下施加应力分别控制为80MPa、90MPa、100MPa和130MPa；步骤S12：Kachanov
‑
Rabotnov蠕变损伤演化方程为下式：Rabotnov蠕变损伤演化方程为下式：上式中ω和分别为损伤演化参数和损伤演化率；A，C，q，p和为材料参数；为蠕变应变率；σ为蠕变应力张量；步骤S13：对于高温环境下的单轴蠕变拉伸试样，总应变由弹性应变、塑性应变和蠕变应变三部分构成，其表述为下式：ε＝ε
e
+ε
p
+ε
c
式中ε为总应变张量，ε
e
，ε
p
，ε
c
分别为弹性应变张量、塑性应变张量、蠕变应变张量；弹性应变的演化满足胡克定律，其表述为下式：σ＝C:ε
e
式中的C为弹性张量，用6
×
6矩阵表示，其表述为下式：式中λ，μ分别为第一和第二拉梅常数，用弹性模量E和泊松比v来表示，其表述为下式：
提出的改进K
‑
R模型其表述为下式：R模型其表述为下式：D
cr
＝1
‑
(1
‑
g)
(1/(φ+1))
式中σ
e
为Mises等效应力；为蠕变应变张量；S
ij
偏应力张量；D损伤变量；σ1为第一主应力；D
cr
...

【专利技术属性】
技术研发人员：阚前华，姜吕锋，张旭，张瀛，隋海明，庾明达，
申请(专利权)人：中国核动力研究设计院，
类型：发明
国别省市：