一种聚变堆偏滤器的疲劳寿命分析评判方法技术

本发明专利技术公开了一种聚变堆偏滤器的疲劳寿命分析评判方法，把偏滤器在服役环境中承受的复杂载荷转换成温度和应力时间变化历程；采用雨流计数法将不规则的应力历程一系列的循环计数段；对于每个计数段，可以根据数值分析的结果得到其弹性应力范围，再通过应力应变分析公式实现把有限元弹性分析的应力结果转换成该计数段总循环应变范围；根据材料的循环应变疲劳寿命曲线对不同应力水平进行疲劳损伤的量化，然后可以得到应力历程中每个计数段每次循环对应的疲劳损伤值。本发明专利技术可以对给定的服役环境进行结果评估，可以给出相关的防护措施和维护建议或者对偏滤器的设计提出改进意见，使得评估结果能够更客观真实的服务工程实际。

A method of fatigue life analysis and evaluation for fusion reactor divertor

Evaluation method of fatigue life analysis of the present invention discloses a fusion reactor divertor, the complex load divertor under service environment of converting the temperature and stress change process; stress history cycle counting a section of the rain flow method will not rule for each count period; according to the results of numerical analysis, the elastic stress range, and then through the analysis of stress and strain formula to realize the stress elastic finite element analysis results into the counting section according to the quantitative cyclic strain range; cyclic strain material fatigue life curve of different stress level of fatigue damage, and can be in the course of each section of each counter force corresponding to the cyclic fatigue damage value. The invention can be given to the service environment of the evaluation results, can give the relevant protective measures and maintenance recommendations or design of the divertor improvements, which makes the evaluation more objective to real engineering services.

【技术实现步骤摘要】
一种聚变堆偏滤器的疲劳寿命分析评判方法
本专利技术涉及核聚变装置的偏滤器
，尤其涉及一种聚变堆偏滤器的疲劳寿命分析评判方法。
技术介绍
偏滤器作为核聚变装置的最为核心的内部部件之一，其主要的功能是排除来自等离子体的高热流和粒子流。在聚变堆中，对偏滤器性能的可靠性及其在服役环境中产生的损伤或失效的评判能够为装置的安全运行和维护提供十分重要的参考信息。目前，对于偏滤器性能研究主要集中于三个方面：(1)高热负荷测试实验。通过对实验件的测试可以有效的得到偏滤器在高热负荷下的服役性能；同时通过对实验后的偏滤器模块进行分析，能够研究表面融化以及材料中裂纹产生到扩展的行为。但是由于实验仪器与设备的限制，这些测试大多数都是基于稳态热负荷(如10MW/m2、20MW/m2等)情况下进行的，对于极高的瞬态热负荷的测试鲜有报道。另一方面，高昂的测试实验成本和较长的实验周期，使得很难得到不同类型偏滤器的足够多实验数据样本。(2)聚变装置服役中的偏滤器失效研究。该方法能够真实的反映出处于等离子体放电中复杂工况下的偏滤器服役性能，但由于在运行聚变装置能力的限制，无法开展与聚变堆相匹配的高功率下的实验研究。(3)数值模拟计算与分析。通过分析偏滤器在服役工况下所承受的载荷，然后利用有限元软件模拟计算偏滤器的热与结构响应，依据偏滤器材料的运行温度和应力评判标准来评估其服役性能。目前的评判标准大多数基于ASME标准。而且通常针对的是无不同载荷叠加效应或者不考虑时间累积效应的评估，无法全面评价偏滤器在服役工况下的响应和运行寿命。
技术实现思路
本专利技术目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种聚变堆偏滤器的疲劳寿命分析评判方法。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种聚变堆偏滤器的疲劳寿命分析评判方法，包括以下步骤：利用有限元软件，把偏滤器在服役环境中承受的复杂载荷转换成部件材料的温度和应力时间历程；利用雨流计数法将不规则的应力时间历程转换成一系列的循环计数段；对于每个计数段，可以根据数值分析的结果得到其弹性应力范围，再通过应力应变分析公式实现把有限元弹性分析的应力结果转换成该计数段总循环应变范围；根据材料的循环应变疲劳寿命曲线对每个计数段的应力水平下的疲劳损伤进行量化，然后可以得到应力历程中所有不同应力水平单次循环对应的疲劳损伤值；再利用Miner线性叠加法则，把偏滤器任何一个部位经历的历程所包含的所有应力水平及其对应的循环次数所得到的疲劳损伤值进行相加，即可得到该位置在服役历程中的总疲劳损伤值，从而对偏滤器在所处的服役环境做出合理的疲劳寿命分析评判。所述的应力应变分析公式把有限元弹性分析的应力结果转换成循环应变范围，具体方法如下：根据有限元计算的温度和应力时间变化历程，通过雨流计数法转换成一系列循环计数段，得到不同计数段中材料最大应力和对应的温度，对于任一计数段，其数值模拟得到的弹性应力范围可以根据分析计算得到总循环应变范围；式中，为总循环应变范围，为循环弹性应变范围，为一次应力循环塑性应变范围，为局部塑性应变范围，为泊松比修正应变范围。所述的根据材料的循环应变疲劳寿命曲线对不同循环计数段对应的应力水平的疲劳损伤进行量化，根据计算得到的给定应力水平下的总应变变化范围，利用材料的循环应变疲劳寿命曲线得到该应力水平下疲劳失效的最大循环次数Nf，利用对其求倒数得到该应力水平下单次循环的疲劳损伤值。统计出每一种应力水平经历的循环次数Ni，再采用Miner线性叠加法则得到服役历程中的总疲劳损伤值。偏滤器整体结构的疲劳寿命分析评判，偏滤器结构构造中采用多种材料，分别对不同位置和材料设定不同的总疲劳损伤阈值Dci，偏滤器任何一个部位疲劳损伤值达到设定的阈值，则认为发生疲劳损伤；根据分析结果能够得到服役中偏滤器的已使用疲劳寿命，剩余疲劳寿命；分析出偏滤器在服役环境中失效的主要因素和总疲劳寿命；结合工程实际给出合理的维护措施或者对偏滤器的设计提出改进意见。本专利技术的优点是：本专利技术可以对给定的服役环境进行结果评估，根据偏滤器不同位置和材料安全阈值的设定分析得出偏滤器在该服役环境下的疲劳失效的主要因素，可以给出相关的防护措施和维护建议或者对偏滤器的设计提出改进意见，使得评估结果能够更客观真实的服务工程实际。附图说明图1为本专利技术提供的聚变堆偏滤器的疲劳寿命分析评判方法流程图。图2为应力时间历程示意图，其中2-2′和3-3′段为雨流计数法典型段。图3为雨流计数法计数过程示意图。图4为和示意图，其中1为σ-ε曲线，2为Neuber双曲线。具体实施方式如图1所示，本专利技术实施例的聚变堆偏滤器的疲劳分析评判方法包括以下步骤：Step1：根据偏滤器在服役环境中承受的复杂载荷，采用有限元软件模拟计算得到温度和应力分布云图，从而可以得到偏滤器每个位置对应的温度和应力时间变化历程。Step2：通过雨流计数法，把计算得到的应力时间变化历程转化成一系列循环计数段。Step3：利用上述分析得到的偏滤器不同部位在不同计数段内最大弹性应力和对应的该位置温度，通过计算公式把有限元弹性分析的应力结果转换成循环应变范围。Step4：根据材料的循环应变疲劳寿命曲线，把不同循环计数段对应的应力水平下的疲劳损伤进行量化。Step5：通过Miner线性损伤叠加法则，得出在服役历程中的总疲劳损伤值。Step6：利用step2到step5的方法计算得到偏滤器每个关键位置对应的总疲劳损伤值。然后分别对不同位置和材料设定不同的总疲劳损伤阈值Dci，偏滤器任何一个部位疲劳损伤值达到设定的阈值，则认为发生疲劳损伤。1.有限元模拟计算，具体的实施方法根据偏滤器所处的服役环境，将其简化成有限元软件中施加的载荷。利用热分析模块模拟计算出温度分布，再把温度分布结果导入到结构分析模块，采用弹性分析得到应力分布。根据载荷随时间演化过程，就可以得到偏滤器每个位置对应的温度和应力时间变化历程。2.雨流计数法的实现假设在服役环境中，偏滤器某一位置的应力时间历程如图2所示。简化雨流计数方法如下：1)在应力时间历程中选取适合雨流计数的(最大峰或谷起止)典型计数段。如图2中的2-2′(最大峰起止)或3-3′段(最大谷起止)。2)将选中的应力时间历程曲线顺时针旋转90°放置，如图3所示。将应力历程当作屋顶，设想雨滴沿着最大峰或谷向下流动。若无屋顶支撑，雨滴则反向，直至端点。图3中，雨滴从A处开始，沿着AB流动，到达B点后落在CD段上，继续流至D处，然后反向沿着DE流动到E处，下落至FG段，然后再落在KA′段，流至整个历程结束。3)记下雨滴流过的最大峰和谷值，作为一个循环，则第一个循环为ADA′。4)从应力时间历程中删除雨滴流过的部分，对于直接掉落的位置，如B点，则在对应的位置生成镜像点B′。然后对剩余历程段，重复上述过程，直到无剩余历程为止。如图3，第二次雨流为BCB′、EFE′和GHG′循环，第三次JKJ′循环。计数完毕。3.总应变范围的计算方法在结构响应分析中采用的是弹性分析，其中并不包含塑性应变的部分，无法反映出材料的真实行为。由雨流计数法得到的任一计数段，其循环应变范围可通过下述公式计算：1)为循环弹性应变范围该值反映的是材料的弹性响应，其值的物理含义如图4所示。在实际分析中，可以直接根据雨流计数法得到的每一循环内对应的总应力本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚变堆偏滤器的疲劳寿命分析评判方法，其特征在于：包括以下步骤：利用有限元软件，把偏滤器在服役环境中承受的复杂载荷转换成部件材料的温度和应力时间历程；利用雨流计数法将不规则的应力时间历程转换成一系列的循环计数段；对于每个计数段，可以根据数值分析的结果得到其弹性应力范围，再通过应力应变分析公式实现把有限元弹性分析的应力结果转换成该计数段总循环应变范围；根据材料的循环应变疲劳寿命曲线对每个计数段的应力水平下的疲劳损伤进行量化，然后可以得到应力历程中所有不同应力水平单次循环对应的疲劳损伤值；再利用Miner线性叠加法则，把偏滤器任何一个部位经历的历程所包含的所有应力水平及其对应的循环次数所得到的疲劳损伤值进行相加，即可得到该位置在服役历程中的总疲劳损伤值，从而对偏滤器在所处的服役环境做出合理的疲劳寿命分析评判。

【技术特征摘要】
1.一种聚变堆偏滤器的疲劳寿命分析评判方法，其特征在于：包括以下步骤：利用有限元软件，把偏滤器在服役环境中承受的复杂载荷转换成部件材料的温度和应力时间历程；利用雨流计数法将不规则的应力时间历程转换成一系列的循环计数段；对于每个计数段，可以根据数值分析的结果得到其弹性应力范围，再通过应力应变分析公式实现把有限元弹性分析的应力结果转换成该计数段总循环应变范围；根据材料的循环应变疲劳寿命曲线对每个计数段的应力水平下的疲劳损伤进行量化，然后可以得到应力历程中所有不同应力水平单次循环对应的疲劳损伤值；再利用Miner线性叠加法则，把偏滤器任何一个部位经历的历程所包含的所有应力水平及其对应的循环次数所得到的疲劳损伤值进行相加，即可得到该位置在服役历程中的总疲劳损伤值，从而对偏滤器在所处的服役环境做出合理的疲劳寿命分析评判。2.根据权利要求1所述的一种聚变堆偏滤器的疲劳寿命分析评判方法，其特征在于：所述的应力应变分析公式把有限元弹性分析的应力结果转换成循环应变范围，具体方法如下：根据有限元计算的温度和应力时间变化历程，通过雨流计数法转换成一系列循环计数段，得到不同计数段中材料最大应力和对应的温度，对于任一计数段，其数值模拟得到的弹性应力范围可以根据分析计算得到总循环应变范围；

【专利技术属性】
技术研发人员：宋云涛，钱新元，彭学兵，陆坤，卯鑫，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽,34