[发明专利]一种Al2

说明书

本发明属于实验聚变堆中阻氚涂层系统的技术领域，特别涉及一种用于Al₂O₃/316L不锈钢阻氚系统表面多重裂纹行为的扩展有限元模拟分析方法。其为了研究聚变堆运行中，阻氚涂层受多重物理场耦合影响下造成的表面多重裂纹扩展的力学行为。本发明专利基于Abaqus软件，在参照实际样品前提下，将含有多重表面裂纹的阻氚系统简化为单一裂纹单元体，随后将此单元体进行扩展有限元求解。本方法有效克服了之前繁复的阻氚涂层多重裂纹建模、网划分格等缺点，高效地模拟出阻氚涂层在外部载荷作用下，表面多重裂纹的关键物理量。提高了计算效率，为高性能阻氚涂层的设计提供理论指导。

技术领域

本发明属于实验聚变堆中阻氚涂层系统的技术领域，特别涉及一种用于Al₂O₃/316L不锈钢阻氚系统表面多重裂纹行为的扩展有限元模拟分析方法。

背景技术

受控核聚变经过几十年的不懈努力，实验聚变堆目前已处于建设阶段。并且，随着磁约束国际热核聚变堆(International ThermonuclearExperimental Reactor，ITER)计划的实施和发展，研究满足ITER及未来先进聚变堆要求的阻氚涂层是当前聚变堆相关研究中的热点和难点之一，其性能是决定聚变堆能否实现安全运行的关键。

聚变堆氚增值包层内增殖产生的氚极易通过包层结构材料向外渗透。这不但会造成氚的流失，引起放射性污染，还将引发包层结构材料发生脆化、肿胀，给聚变反应堆带来灾难性的后果。研究表明，为了阻止氚的渗透，同时保持结构材料的整体性能，最有效的方法即在结构材料表面沉积阻氚涂层。氚在金属中以间隙原子的形式扩散，具有较强的渗透能力，但在陶瓷材料中的渗透却是以类似分子的形式扩散，渗透能力低，比在金属中低几个数量级。因此，为了有效地阻止氚的渗透，在基底材料表面沉积相应的陶瓷阻氚涂层是较为实际的方法。在众多陶瓷阻氚涂层材料中，由于Al₂O₃具有良好的阻氚渗透率，优异的耐腐蚀性和热稳定性，被认为是有希望的阻氚涂层候选材料之一。同时，316L不锈钢在众多钢结构中具有氚渗透率低、强度高、塑性好等优势。因此，以316L不锈钢为基体，在其表面沉积Al₂O₃作为阻氚涂层系统是目前研究的重点。

在聚变堆高温或交变热场、交变辐照场等多物理场耦合的中作用下，由于涂层材料晶格常数、热膨胀系数等与基底材料差异较大，加上涂层与基底材料异质界面的非连续和非共格的本征特性，在涂层与基底的交界面处，不可避免地会引起应力集中现象。应力集中将会诱发涂层表面产生裂纹，进而造成涂层脱落，即表现出膜基结合强度不足的特点。因此，研究涂层系统中裂纹扩展过程，对提高涂层使用寿命和揭示其失效机制有着重要作用。除此之外，由于阻氚涂层厚度较薄，裂纹实验的差异性、复杂性，以及实验工况所需的财力、物力投入巨大的特点，通过实验方法量化裂纹相关力学性能目前仍存在巨大挑战。

与此相对，在与材料和机械领域有关的断裂问题上，采用扩展有限元模拟方法，可以有效缩短实验时间、提高工作效率、节约实验费用，为相关科学的研发提供理论基础以及结构设计指导。

目前在阻氚涂层领域中，已经开展了一部分有限元的研究，主要集中在热应力、温度场分布以及位移测量等方面。但是对于阻氚系统中，涂层表面多重裂纹力学问题的研究方法却鲜有报道。仅有的多重裂纹研究主要存在模型复杂、计算量大、后期收敛性差的缺点。这主要是由于在实际裂纹开裂过程中，每条裂纹尖端都会出现应力集中。在后期计算过程中，为了更好的提取裂纹应变能释放率以及应力，会对裂纹尖端实施网格加密的过程。由于裂纹与整体模型系统为一个整体，网格的加密势必导致整体模型网格数量、节点、单元增加，不利于后期的计算。因此迫切需要开发一种基于扩展有限元技术的简洁新方法来解决此问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于Al₂O₃/316L不锈钢阻氚系统表面多重裂纹行为的扩展有限元模拟分析方法，包括以下步骤：

(1)前期几何模型的建立