[发明专利]熔盐腐蚀-力交互作用下晶间裂纹萌生及扩展的预测方法

说明书

本发明涉及一种熔盐腐蚀‑力交互作用下晶间裂纹萌生及扩展的预测方法，包括建立包含晶粒和晶界的有限元模型，赋予晶粒和晶界不同材料参数；计算单元质心到表面的距离；根据熔盐环境中的力学性能试验结果，建立含损伤项的本构模型进行计算，获得应力增量和应变增量；根据空气环境中力学性能试验结果，建立机械损伤Dsubgt;1/subgt;模型，结合熔盐腐蚀损伤Dsubgt;2/subgt;模型进行计算，确定总损伤值D；利用随机数确定每一个单元的随机损伤门槛值Dsubgt;rnd/subgt;；裂纹扩展准则设为DDsubgt;rnd/subgt;，若满足则使单元失效，腐蚀裂纹开始扩展，否则进行下一步的计算。本发明能准确预测熔盐腐蚀‑力耦合作用下随机沿晶裂纹的萌生、扩展、裂纹扩展方式以及材料的腐蚀程度等，具有适用性广、精度高的特点。

技术领域

本发明属于光热发电系统结构完整性评估技术领域，具体涉及一种熔盐腐蚀-力交互作用下晶间裂纹萌生及扩展的预测方法。

背景技术

“双碳”背景下，以绿色能源为主体的新型电力系统建设方向日益清晰，但是绿色能源发电普遍存在波动性与间歇性的问题。为解决这一问题，高温熔盐储能技术逐渐引起人们重视，其具有成本较低、高效率、高能量密度等优点，在风光热储一体化电站的建设中起到削峰填谷的作用。高温熔盐具有一定的腐蚀性，与熔盐接触的零部件在长期服役过程中不仅受到熔盐腐蚀的作用，还会受到复杂载荷的作用。在熔盐和应力的协同作用下，结构材料会加速劣化，如发生沿晶腐蚀开裂、腐蚀程度加重等，严重威胁到设备的安全可靠运行。因此，考虑熔盐腐蚀-力协同作用下裂纹的萌生和扩展对熔盐储能系统中结构完整性设计和运行维护具有重要意义。

对于熔盐环境下腐蚀裂纹的评定主要有试验法和有限元模拟法。由于高温熔盐环境的严苛性，目前尚无成熟的商用试验设备可用于开展复杂载荷下腐蚀裂纹的评定试验，尽管一些实验室有自主搭建的测试装置，如FabiolaPineda等(Pineda F,Mallco A,DeBarbieri F,et al.Corrosion evaluation by electrochemical real-time trackingof VM12 martensitic steel in a ternary molten salt mixture with lithiumnitrates for CSPplants[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,2021,231:111302.)搭建了硝酸锂熔盐环境下的慢应变速率拉伸试验装置探究了腐蚀与力交互作用，但是开展此类试验成本高，耗费时间长，且取样过程会对结构造成不可逆的损伤。随着计算机技术的不断发展，有限元模拟方法体现出越来越大的优势，在材料变形行为的预测和裂纹扩展的计算等方向得到很好的应用。目前为止，有相关研究采用扩展有限元或者内聚力模型等方法模拟了材料在复杂载荷下裂纹的扩展。例如KumarM等(KumarM,SinghIV.Numerical investigation ofcreep crackgrowth in plastically gradedmaterials using C(t)and XFEM[J].Engineering Fracture Mechanics,2020,226:106820.)用有限元法模拟了CT试样蠕变裂纹扩展，但是此类研究均未考虑高温熔盐腐蚀作用，并且无法模拟并预测熔盐环境中腐蚀与力的协同作用下裂纹的随机萌生、扩展以及熔盐腐蚀动力学行为。

发明内容

本发明提供了一种熔盐腐蚀-力交互作用下晶间裂纹萌生及扩展的预测方法，具有适用性广、精度高的特点，可在有限元模块中模拟材料在高温熔盐环境中腐蚀裂纹的随机萌生与扩展，并获得材料的腐蚀动力学行为和变形行为等关键指标，对于研究材料的熔盐腐蚀预测和熔盐腐蚀-力协同作用下裂纹的萌生和扩展行为有重要意义。