基于ABAQUS的熱室設(shè)備斷裂故障仿真研究

高 山 明玉周＊ 高 峰

（中國原子能科學(xué)研究院 放射化學(xué)研究所，北京 102413）

0 引言

熱室設(shè)備用于在熱室內(nèi)觀察、操作、處理或分析核材料[1]，由于其工作環(huán)境的特殊性，操作或維修無法直接接觸，使得熱室設(shè)備的維修過程非常復(fù)雜且維修成本極高。熱室設(shè)備在工作載荷作用下不可避免地存在出現(xiàn)各類故障的風(fēng)險，如磨損、咬合、斷裂等[2]。構(gòu)件斷裂作為熱室設(shè)備較常見且危害性極大的一類故障，根據(jù)材料斷裂理論，金屬材料受制造和加工殘余應(yīng)力的影響內(nèi)部必然存在微裂紋，微裂紋在外部載荷作用下在裂紋尖端區(qū)形成新的擴(kuò)展核，使裂紋擴(kuò)展，最終使構(gòu)件以強(qiáng)度失效的形式發(fā)生斷裂[3]。

1 斷裂故障仿真

ABAQUS作為國際上先進(jìn)的大型通用有限元分析軟件，具備分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)力學(xué)和固體力學(xué)系統(tǒng)的能力，在處理非線性問題和力學(xué)系統(tǒng)及構(gòu)件模擬方面其表現(xiàn)也十分優(yōu)越。得益于ABAQUS可靠的模擬能力和強(qiáng)大的分析功能，其在多領(lǐng)域的科研工作中都得到了廣泛的應(yīng)用[4-6]。

使用ABAQUS16.4有限元模擬軟件模擬某熱室設(shè)備支撐板的裂紋擴(kuò)展過程，對裂紋擴(kuò)展過程中動態(tài)特性進(jìn)行分析。斷裂故障仿真模型如圖1所示，在模型主體邊緣位置定義初始長度為10 mm的裂紋，裂紋方向與邊緣上表面垂直，對試件一端進(jìn)行固定，另一端施加交變強(qiáng)制位移力載荷進(jìn)行加載。定義材料的楊氏模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3。

圖1 斷裂故障仿真模型邊界條件示意圖

模型網(wǎng)格劃分使用8節(jié)點六面體縮減單元（C3D8R）進(jìn)行劃分，并對裂紋區(qū)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。交變強(qiáng)制位移力的加載方式如表1所示，并在裂紋擴(kuò)展路徑附近設(shè)置監(jiān)測點，對裂紋擴(kuò)展過程中該測點表面位移的變化情況進(jìn)行輸出，其有限元模型如圖2所示。模擬過程中裂紋擴(kuò)展損傷判據(jù)遵循最大主應(yīng)力失效準(zhǔn)則，裂紋擴(kuò)展過程的能量控制參數(shù)使用如表2所示的參數(shù)。

表1 位移力加載參數(shù)

表2 裂紋擴(kuò)展過程控制參數(shù)

圖2 有限元計算模型

2 仿真結(jié)果分析

圖3 裂紋擴(kuò)展過程

斷裂故障仿真模型在交變位移力作用下發(fā)生了明顯的裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象，如圖3所示為不同裂紋擴(kuò)展步數(shù)下的裂紋擴(kuò)展情況，在裂紋擴(kuò)展的初期階段，裂紋擴(kuò)展方向與裂紋初始方向一致；隨著裂紋擴(kuò)展過程的繼續(xù)，與裂紋初始方向垂直的交變位移力載荷對裂紋擴(kuò)展方向產(chǎn)生了明顯影響，使裂紋擴(kuò)展方向朝交變位移力方向擴(kuò)展。伴隨裂紋擴(kuò)展過程，不同裂紋擴(kuò)展階段模型內(nèi)部的Mises應(yīng)力分布如圖4所示，由于裂紋的存在，裂紋尖端作為應(yīng)力集中的主要區(qū)域呈現(xiàn)出對稱分布規(guī)律，模型左側(cè)約束固定端和交變位移力作用端也存在明顯的應(yīng)力集中區(qū)，伴隨著裂紋擴(kuò)展的進(jìn)行，應(yīng)力集中區(qū)的范圍和最大應(yīng)力數(shù)值均發(fā)生了變化，表明在裂紋擴(kuò)展過程中模型內(nèi)部存在應(yīng)力波動，即裂紋擴(kuò)展過程中裂紋尖端會釋放應(yīng)力波。

圖4 裂紋擴(kuò)展階段應(yīng)力分布圖

輸出模型監(jiān)測點處的垂直位移—裂紋擴(kuò)展時間曲線，如圖5所示。該圖像反映了模型在裂紋擴(kuò)展過程中裂紋尖端附近監(jiān)測點處垂直于裂紋擴(kuò)展平面的位移響應(yīng)，圖中曲線表明在裂紋擴(kuò)展過程中，裂紋尖端附近測點存在明顯的垂直位移波動，進(jìn)一步表明了裂紋擴(kuò)展過程中會釋放應(yīng)力波，應(yīng)力波在物體內(nèi)部傳播后引起表面垂直位移，呈現(xiàn)出明顯的突發(fā)型信號特征。

圖5 監(jiān)測點處位移變化

3 結(jié)語

本文基于ABAQUS仿真平臺，對某熱室設(shè)備支撐板的裂紋擴(kuò)展過程進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果表明在交變位移力作用下模型產(chǎn)生了明顯的裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象，裂紋擴(kuò)展過程中伴隨著應(yīng)力波的釋放，并引起了裂紋尖端附近區(qū)域垂直位移的波動，波動伴隨明顯的突發(fā)型信號特征，證明了使用監(jiān)測手段對熱室設(shè)備斷裂故障監(jiān)測的可行性。