基于位错攀移机制的晶体塑性有限元模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种基于位错攀移机制的晶体塑性有限元模拟方法，建立了基于位错的晶体塑性有限元模型(CPFEM)，研究了微观组织与蠕变行为的关系。该模型考虑了空位热运动导致的位错攀移，认为位错攀移会影响位错绕过机制的尝试频率和位错密度的演化。之后将实验与模拟结果进行对比，结果表明该晶体塑性有限元模型能较好地描述材料在高温下的蠕变响应。能较好地描述材料在高温下的蠕变响应。能较好地描述材料在高温下的蠕变响应。

【技术实现步骤摘要】
基于位错攀移机制的晶体塑性有限元模拟方法


[0001]本专利技术涉及高温蠕变力学行为模拟和预测
，特别是一种基于位错攀移机制的晶体塑性有限元模拟方法。

技术介绍

[0002]能源利用问题长期以来都是人类发展的重点难题，开展对能源的研究与利用，不断提高新能源使用率，一直是全球各国研究的重要课题。在新一轮工业革命兴起的同时，如何应对气候变化带来的环境影响日益成为全人类关注的焦点，绿色低碳可持续发展也成为能源研究的主要目标。随着对能源开发技术的不断研究，研究者们发现在高温下能源转化率有大幅度提升。同时，随着经济和科技的不断发展与进步，现代能源设施结构的服役温度也在逐年提高。近年来，我国北方开始出现雾霾问题，以及极端天气，这些环境影响致使环境保护和绿色发展越来越受到人们重视。以此为背景，我国提出要构建绿色、安全、低碳和可持续的现代能源体系，这就要求在提高已有能源利用技术的基础上，大力发展新能源技术。未来，伴随新能源研究的发展，新能源装机将逐渐上升，对新能源机组的研究也会占据越来越重要的地位。
[0003]核能作为安全、经济、高效的清洁能源对于贯彻新发展理念、构建新发展格局，引领全球在“后疫情时代”实现绿色、低碳复苏，具有独特作用和重要意义。随着核能的不断发展，目前核电与水电、煤电一起构成了世界能源的三大支柱。同时，核能也是满足能源供应、保证国家安全的重要基础之一。截至2019年，全球发电总量中,核能发电比例为10.4％，全球有30个国家449座商用核动力反应堆在运行，总装机容量达396GW，在建核电机组55台，在建机组装机容量57GW。中国核电站发展始于80年代初期，到2019年底，已投入运行的核电机组达到47台，总容量48GW，仅次于美、法两国。在建机组13座，总装机容量13GW，装机容量居全球第一。
[0004]从核电发展的历史看，一般把核电站发展分为四个时期。第一代核电站是早期的原型反应堆，主要是20世纪50年代及60年代开发的早期原型反应堆，以轻水堆为主要代表。在这10年间，全球范围内约有40个核电机组投入运行，如英国的镁诺克斯石墨气冷堆、美国的希平港压水堆、德累斯顿沸水堆等。第二代核电站主要是20世纪60年代后期到20世纪90年代，在第一代核电站基础上开发建设起来的大型商用核电站，这一时期在伴随着世界范围内石油危机及核电发展经济性的日趋明显，核电行业高速发展，20年间共有240多台机组投入运行，如加拿大堆、苏联的压水堆等。到21世纪10年代初，世界上的大多数在运行的商业核电站都属于第二代核电站。第三代核电站主要指是指先进的轻水堆核电站，即20世纪90年代后期到21世纪初开始运行的核电站。这一代核电站经济性更好、安全性能更高，主要包括先进的沸水堆、欧洲压水堆等。第四代核能系统是待开发的核电站，其目标是在2030年之前建成达到实用化的先进核能系统，第四代核能系统的主要优点是经济性更高、安全性能更好、可持续发展，并能有效防止核扩散。
[0005]第四代核能系统代表了先进核能系统的技术前沿，也是未来核电的发展方向。第
四代核能系统主要包括铅铋冷却快堆系统、溶盐反应堆系统、钠冷快堆系统、超临界水堆系统、超高温气冷堆系统和气冷快堆系统六种堆型。铅铋冷却反应堆作为第四代核能系统的候选堆型之一，有着良好的发展前景，世界范围内针对铅铋冷却反应堆的研究较为广泛。第四代核能系统国际论坛最新发布的信息表明，铅铋冷快堆是有望成为首个实现商业应用的第四代核能系统。在第四代核能系统反应堆组件中，燃料元件包壳的工况条件最为严苛，以铅铋冷快堆为例，由于铅铋冷却快堆燃料元件包壳在高温的环境下进行服役，会产生明显蠕变现象，成为威胁铅铋冷却快堆安全性的重要评价要素。因此，开展针对包壳材料在高温下的蠕变现象研究，分析蠕变演化规律，对解决铅铋冷却快堆包壳结构选材问题具有重要的参考意义及指导作用。
[0006]蠕变模型的核心是在高温结构材料研究分析中获取材料应力
‑
应变关系。自Norton(1929年)和Bailey(1935年)建立了蠕变本构方程以来，学者们已经建立了数以百计的蠕变模型，用以描述蠕变应变随时间、应力、温度等因素变化的曲线。最简单的蠕变方程可表述如下：
[0007]ε＝Kσ
n
(1
‑
1)
[0008]ε＝Bt
m
(1
‑
2)
[0009]其中，σ和ε分别为蠕变应力和蠕变应变；t为蠕变时间；m和n为指数常数；K和B为材料参数。
[0010]式(1
‑
1)和(1
‑
2)主要反映了蠕变应变与应力、时间两个因素呈幂函数关系。蠕变与时间曲线将蠕变过程分为三个阶段，蠕变应变率也相应地分为三个阶段：第一阶段蠕变应变率随时间的增加而减小，称之为蠕变减速阶段；第二阶段蠕变应变率基本不变，称之为稳态蠕变阶段；第三阶段随着蠕变损伤的积累，蠕变应变率不断加快，称之为加速蠕变阶段。Norton提出的蠕变应变率满足下式：
[0011][0012]其中，Q为热激活能；R为玻尔兹曼常数；T为温度；a为材料常数。
[0013]随后，Johnson等在1963年基于上述关系进行了修正：
[0014][0015]其中，b，n1和n2为表征材料特性的常数；Q
A
和Q
B
代表不同的激活能。
[0016]1995年，Bartsch通过引入应力的指数修正项对Norton方程进行了进一步的改进：
[0017][0018]其中，a1，a2，b1，b2，m1和m2为材料常数，用于修正应力和时间对蠕变演化的影响。
[0019]蠕变断裂的微观过程表现为孔洞和微裂纹的形核与长大，从微观角度研究蠕变的断裂行为符合其物理本质。由于金属材料晶体内部原本就存在着大量的缺陷，造成了基体材料分布的微观不均匀性，从而引起结构的局部应力集中；材料中各处孔洞形成、长大情况也不一致，用局部区域的孔洞演化代表材料的整体断裂情况通常精度有限，如何准确地描述材料整体的微观演化是蠕变研究的重点难题。从材料的断裂力学入手，考虑材料在断裂过程中发生的微观演化，建立温度、应力与裂纹扩展的力学模型可以很好地应用于工程实际。ASME标准通过引入一个与应力、温度相关的参数，建立蠕变应变率演化方程：
[0020][0021]其中，Ω为材料参数；为初始的蠕变应变率。
[0022]考虑材料的微观不均匀性演化和不连续性(微孔洞、微裂纹等存在)演化规律，可建立微观模型进行描述。然而，由于微观模型直接计算带来巨大的复杂性，这也使其不具备唯象模型简便、高效的特点。为了考虑微观演化机理带来的复杂性，损伤力学被引入到蠕变建模中。
[0023]随着对蠕变损伤的深入研究，损伤理论也逐渐发展起来。Kachanov率先提出连续度的概念，并给出了蠕变损伤演化关系，实现了对蠕变寿命的预测。随后，Rabotnov通过引入有效应力的概念，建立了Kachanov
‑
Rabotnov本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于位错攀移机制的晶体塑性有限元模拟方法，其特征在于，包括：在有限变形中，将总体变形梯度张量F通过乘法分解为弹性部分F
e
及塑性部分F
p
：F＝F
e
·
F
p
上式中塑性变形梯度张量F
p
描述材料点从参考构型到中间构型的映射，在晶体塑性模型中对应位错运动导致的塑性变形，弹性变形梯度张量F
e
描述材料点从中间构型到当前构型的映射，在晶体塑性模型中对应晶格弹性拉伸和刚体旋转；中间构型塑性速度梯度L
P
表示为：当位错滑移是唯一的塑性变形来源时，L
P
可以表示为晶体所有滑移系上剪切应变率的叠加：其中单位矢量m
α
和n
α
分别描述中间构型中滑移系α的刃型位错的滑移方向和滑移面法向；针对位错主导模型，其α滑移系上的剪切应变率表示为：其中v
e
是晶体中位错运动的平均速度，上式被改写成以下形式：其中是滑移系α上有效分解剪切应力，τ
sol
是固溶体强度，b
s
是滑移的伯氏矢量长度，v0是位错滑移的速度，v
climb
是位错攀移的速度，L
c
的物理意义为攀移绕过机制的障碍特征尺寸，该参数控制攀移提升刃型位错可动性的强弱，Q
s
是激活位错滑移所需的能量，k
B
是Boltzmann常数，T是温度，p和q反映障碍能垒的拟合参数；微结构演化由刃型位错密度ρ
e
与偶极子位错密度ρ
...

【专利技术属性】
技术研发人员：阚前华，姜吕锋，张旭，张瀛，隋海明，庾明达，
申请(专利权)人：中国核动力研究设计院，
类型：发明
国别省市：