基于边界型无网格法的核石墨微观结构仿真方法研究及其在热膨胀系数应力敏感性分析中的应用

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
11002080
项目类别：
青年科学基金项目
资助金额：
23.0万
负责人：
王洪涛
依托单位：
清华大学
学科分类：
A0813.计算固体力学
结题年份：
2013
批准年份：
2010
项目状态：
已结题
起止时间：
2011-01-01 至2013-12-31

项目参与者：
张征明；沈观林；史力；张丽；郭垒磊；张添翼；
关键词：
边界型无网格法热膨胀系数应变电测微观结构核石墨

项目摘要

核石墨是核反应堆内的重要结构材料，其安全性和稳定性至关重要。从微观角度看，石墨材料含有大量的微缺陷和裂纹，孔隙率很高，常规数值方法由于求解规模的限制而难以使用。而边界型无网格法和快速多极算法的结合，既发挥了只在边界布置结点的无网格特性，又能进行快速的大规模计算，从而使得以具有代表性微观结构特征为基础的核石墨材料的大规模精确数值仿真成为可能。本项目以具体的核石墨材料为基础，通过图像处理手段建立具有代表性的针对不同类型核石墨的数值仿真模型；将快速多极算法引入到边界型无网格法中，使其能更好地用于核石墨微观结构的数值仿真；预测不同类型的核石墨的宏观材料特性（如弹性模量、热膨胀系数等），研究不同的载荷状态、不同的孔隙率等因素对宏观材料特性的影响；通过数值仿真分析方法和应变电测实验手段系统地研究核石墨材料热膨胀系数的应力敏感性，最终为反应堆的设计和安全运行提供参考依据。

结项摘要

石墨材料从微观结构上看，含有大量的存在复杂相互作用的微缺陷和裂纹，常规数值方法由于求解规模的限制而难以使用。本项目中以具体的核石墨材料为基础，通过数字图像处理手段用于研究石墨材料和构件的力学行为，并建立了核石墨材料的数值仿真模型；将快速多极算法引入到边界型无网格法中，使其能更好地用于核石墨微观结构的数值仿真；预测不同类型的核石墨的宏观材料特性（如弹性模量等），研究不同的载荷条件等因素对宏观材料特性的影响；通过应变电测实验手段等方法系统地研究核石墨材料热膨胀系数的应力敏感性，研究含不同裂纹密度和分布的多裂纹弹性介质的宏观等效参数的评估。. 在实验方面，本项目完成了中温条件下应力对石墨材料热膨胀系数的实验研究、DIC方法的研究与应用等方面开展相关研究工作：采用应变电测方法对不同应力状态下IG-110石墨和NBG-18石墨的热膨胀系数进行测试，得到了两种石墨材料的轴向和周向热膨胀系数随压应力变化而变化的规律；DIC方法中不同型号CCD的采集应变以及环境温度随时间变化的规律；将DIC方法应用到碰撞实验中，完成了石墨砖碰撞性能试验。为了研究不同成型工艺等因素对核石墨宏观材料特性的影响，本项目增加了国产石墨材料的强度实验研究，基于该数据可以进行国产石墨与国内外多种不同石墨材料（如IG-11、NBG-18等）的宏观强度性能的对比。此外，本项目对代表性的核石墨材料进行断裂韧性测试，实验中研究试件各尺寸参数对测试结果的影响。本项目通过实验方法观测微观尺度和宏观尺度下代表性的核石墨材料的疲劳裂纹扩展情况，测得了疲劳裂纹扩展速率与应力水平的关系。. 在计算模拟的研究工作基础上，已完成对原有三维边界型无网格法与快速多极算法等结合的程序编制和验证工作。程序使用标准C++编写，借用商用有限元前处理软件的建模能力，可以实现复杂几何模型的快速建模和高精度求解。本项目将快速多极算法应用到含大量微裂纹的三维弹性介质问题中，基于微观结构计算含大量平行裂纹或者随机分布裂纹的三维弹性介质的有效弹性模量。