[发明专利]一种SiC复合包壳的多物理场耦合计算方法

说明书

本发明公开了一种SiC复合包壳的多物理场耦合计算方法，其涉及SiC复合包壳性能评价技术领域。该方法包括：建立SiC复合包壳的三维几何模型；设置材料物性模型；建立不同物理场下SiC复合包壳的行为模型，分别设置求解域、初始条件和边界条件；设置多物理场耦合模型，各耦合模块通过设置变量构建联系，各变量通过全局变量实现参数相互传递，形成耦合架构；设定计算运行时间及时间步长，在每个瞬态时间步完成传热、力学、辐照、腐蚀的计算，选取全耦合方法求解各物理场的本构方程。本发明建立的SiC复合包壳的耦合计算方法，考虑了在传热‑力学‑辐照‑腐蚀多物理场框架下的物理现象及行为，为探明其服役性能规律提供参考。

技术领域

本发明涉及SiC复合包壳性能评价技术领域，特别涉及一种SiC复合包壳的多物理场耦合计算方法。

背景技术

SiC复合包壳具有高温强度高(1200℃时拉伸强度达到～220MPa)、抗氧化能力强、中子经济性好、高熔点、耐磨性能佳、抗辐照能力强等优势，已成为目前反应堆耐事故包壳材料的热门选型。SiC复合包壳具有多层结构：主体为纤维增强的SiCf/SiC复合材料，具有伪塑性断裂行为特点，可避免SiC包壳发生灾难性的力学破坏行为，但具有制造密度低、气密性及抗腐蚀性能差等劣势；内层或外层为采用CVD技术制造的高纯度单质SiC，具有极强的抗腐蚀性能及较好的气密性。当前对SiC复合包壳的性能评价主要通过堆外实验的方式开展，但由于其实验手段成本高，周期长。

近年来，国内外研究者选用实验或数值模拟的方法对SiC复合包壳进行了一系列性能分析研究。

如，文献《林大超.压水堆环境下多层碳化硅包壳的热-机械行为研究，华北电力大学，硕士学位论文，2018》中，作者以三层SiC复合包壳和两层SiC复合包壳为研究对象，研究了其在稳态工况下的应力分布模型和失效概率。基于薄壁圆柱体材料弹性力学基本理论推导出了多层SiC复合包壳的应力分析模型，并通过模拟得到应力分布和宏观失效概率。其不足之处在于，辐照作用仅通过变量引入了力学模块，未能实现变量的相互传递和迭代更新；且未考虑温度、腐蚀等关键因素对SiC复合包壳的影响，耦合流程较为简单。

又如，文献《刘仕超，庞华，周毅，等.SiC复合包壳热冲击行为分析，核动力工程，2022,43(3)》中，作者对SiC复合包壳热冲击行为开展了数值模拟，分析了厚度比例、热冲击温度以及端塞对SiC复合包壳的抗热冲击性能的影响。但该程序中只涉及了温度场和应力场两个物理场，且对SiC复合包壳的模型进行了相当程度的简化，这种模型和模拟计算方法过于粗糙，且不能完全反应出SiC复合包壳的堆内服役性能。

又如，美国橡树岭实验室《Terrani KA,Pint BA,Parish CM,et al.Siliconcarbide oxidation in steam up to 2MPa.Journal of the American CeramicSociety,2014,97(8):2331-52.》、美国麻省理工学院《Lee Y,Mckrell TJ,Yue C,etal.Safety Assessment of SiC Cladding Oxidation under Loss-of-Coolant AccidentConditions in Light Water Reactors[J].Nuclear Technology,2017,183(2):210-27.》等学者，相继开展了高温水蒸气环境下SiC氧化行为的实验研究，分别研究了氧化温度、氧化时间、水蒸气流速和水蒸气分压等关键环境参数对烧结SiC或CVD-SiC在高温水蒸气环境中氧化行为的影响，分析了各环境参数对SiC氧化行为的影响机理。但受限于分析手段，实验研究大多只能考虑SiC材料在单一腐蚀环境下的性能响应，并不能反映其在多种物理环境协同作用下的服役行为，且结论仅停留在实验现象的解释，理论支撑较弱，未能建立对应的数值方法，研究周期长，效率较低。