[发明专利]基于扩展有限元的RPV管点蚀坑上裂纹扩展数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种基于扩展有限元的RPV管点蚀坑上裂纹扩展数值模拟方法，包括：试验确定RPV管材料在实际工况下产生的点蚀坑形貌及尺寸参数；建立适应RPV管道材料的含点蚀坑的损伤模型；定义荷载及边界条件；通过计算应力分布设置XFEM单元富集区域；模拟点蚀坑模型上的裂纹开裂过程。本发明考虑了点蚀坑形貌及尺寸对裂纹萌生位置的影响，且模拟中不添加预制裂纹，实现了在近似RPV管道工况下点蚀坑周围裂纹从无到有的损伤积累‑开裂全过程模拟，能够有效、准确地预测RPV管的使用寿命。

技术领域

本发明是属于点蚀裂纹萌生预测技术领域，具体来说，涉及一种基于扩展有限元的RPV管点蚀坑上裂纹扩展数值模拟方法。

背景技术

反应堆压力容器(RPV)是主回路冷却剂压力边界屏障中的一个重要设备，为核安全一级设备，在核电厂服役期内不可更换，其寿命决定了整个核电厂的服役年限。因此，反应堆压力容器的密封设计和选材，对于设备的安全运行至关重要。RPV管道接口一般采用奥氏体不锈钢作为耐蚀性材料，由于奥氏体不锈钢拥有良好的综合性能，因此被广泛用于各类压力容器及管道等承压设备中。

数据显示，不锈钢类承压设备中实际失效形式有接近55%属于应力腐蚀开裂。应力腐蚀过程十分复杂，众多的影响因素使得其裂纹扩展难以控制，因此人们对此类应力腐蚀裂纹扩展规律及机理的认识还不够充分，从而导致对核电站反应堆关键材料的寿命精确预测难以实现。核电材料的应力腐蚀行为主要由裂尖腐蚀环境、材料特性以及外应力相互作用导致。已有很多学者对裂尖腐蚀环境与材料特性的参数：环境致裂扩展速率（da/dt）与应力强度因子（K）进行了研究，但从力学角度对核电材料裂尖裂纹扩展进行研究，尤其是在多影响因素的材料环境致裂下，是同样重要的。

近十多年来，已有很多学者将扩展有限元法（XFEM）应用于裂纹扩展的模拟研究中。Nagashima等（Nagashima T, Omoto Y, Tani S. Stress intensity factor analysisof interface cracks using X-FEM[J]. International Journal for NumericalMethods in Engineering, 2003, 56:1151-1173）利用XFEM方法分析了金属材料界面位置处裂纹的应力变化。Raykar（N.R. Raykar, S.K. Maiti, R.K. Singh Raman. Modellingof mode-I stable crack growth under hydrogen assisted stress corrosioncracking[J]. Engineering Fracture Mechanics, 2011, 78(18):3153-3165）建立了基于内聚力模型的二维有限元的应力腐蚀裂纹扩展模型。隋荣娟（隋荣娟. 奥氏体不锈钢应力腐蚀失效及其概率分析研究[D]. 山东:山东大学,2015）研究了奥氏体不锈钢应力腐蚀失效及其概率，分析了点蚀坑坑径比、外加应力与应力集中系数的关系，但对于点蚀坑上的裂纹扩展行为并未继续研究。

由于RPV体积庞大，且实际工况下RPV处在核辐照等环境下，难以通过室内实验的方法进行应力腐蚀裂纹研究，因此迫切需要开发一种RPV管点蚀坑裂纹扩展的数值模拟方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于扩展有限元的RPV管点蚀坑上裂纹扩展数值模拟方法，包括以下步骤：

S1,模型的建立

S11,进行室内试验，确定RPV管材料在近似RPV管工况环境下的点蚀坑形貌与尺寸数据；

S12,依据上述点蚀坑形貌与尺寸数据，将实际RPV管等效为长方体，建立含点蚀坑的RPV管材料的三维钢板模型；

S2,材料设置与网格划分