基于ABAQUS的熱室設備斷裂故障仿真研究

高 山 明玉周＊ 高 峰

（中國原子能科學研究院 放射化學研究所，北京 102413）

0 引言

熱室設備用于在熱室內觀察、操作、處理或分析核材料[1]，由于其工作環境的特殊性，操作或維修無法直接接觸，使得熱室設備的維修過程非常復雜且維修成本極高。熱室設備在工作載荷作用下不可避免地存在出現各類故障的風險，如磨損、咬合、斷裂等[2]。構件斷裂作為熱室設備較常見且危害性極大的一類故障，根據材料斷裂理論，金屬材料受制造和加工殘余應力的影響內部必然存在微裂紋，微裂紋在外部載荷作用下在裂紋尖端區形成新的擴展核，使裂紋擴展，最終使構件以強度失效的形式發生斷裂[3]。

1 斷裂故障仿真

ABAQUS作為國際上先進的大型通用有限元分析軟件，具備分析復雜結構力學和固體力學系統的能力，在處理非線性問題和力學系統及構件模擬方面其表現也十分優越。得益于ABAQUS可靠的模擬能力和強大的分析功能，其在多領域的科研工作中都得到了廣泛的應用[4-6]。

使用ABAQUS16.4有限元模擬軟件模擬某熱室設備支撐板的裂紋擴展過程，對裂紋擴展過程中動態特性進行分析。斷裂故障仿真模型如圖1所示，在模型主體邊緣位置定義初始長度為10 mm的裂紋，裂紋方向與邊緣上表面垂直，對試件一端進行固定，另一端施加交變強制位移力載荷進行加載。定義材料的楊氏模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3。

圖1 斷裂故障仿真模型邊界條件示意圖

模型網格劃分使用8節點六面體縮減單元（C3D8R）進行劃分，并對裂紋區網格進行加密處理。交變強制位移力的加載方式如表1所示，并在裂紋擴展路徑附近設置監測點，對裂紋擴展過程中該測點表面位移的變化情況進行輸出，其有限元模型如圖2所示。模擬過程中裂紋擴展損傷判據遵循最大主應力失效準則，裂紋擴展過程的能量控制參數使用如表2所示的參數。

表1 位移力加載參數

表2 裂紋擴展過程控制參數

圖2 有限元計算模型

2 仿真結果分析

圖3 裂紋擴展過程

斷裂故障仿真模型在交變位移力作用下發生了明顯的裂紋擴展現象，如圖3所示為不同裂紋擴展步數下的裂紋擴展情況，在裂紋擴展的初期階段，裂紋擴展方向與裂紋初始方向一致；隨著裂紋擴展過程的繼續，與裂紋初始方向垂直的交變位移力載荷對裂紋擴展方向產生了明顯影響，使裂紋擴展方向朝交變位移力方向擴展。伴隨裂紋擴展過程，不同裂紋擴展階段模型內部的Mises應力分布如圖4所示，由于裂紋的存在，裂紋尖端作為應力集中的主要區域呈現出對稱分布規律，模型左側約束固定端和交變位移力作用端也存在明顯的應力集中區，伴隨著裂紋擴展的進行，應力集中區的范圍和最大應力數值均發生了變化，表明在裂紋擴展過程中模型內部存在應力波動，即裂紋擴展過程中裂紋尖端會釋放應力波。

圖4 裂紋擴展階段應力分布圖

輸出模型監測點處的垂直位移—裂紋擴展時間曲線，如圖5所示。該圖像反映了模型在裂紋擴展過程中裂紋尖端附近監測點處垂直于裂紋擴展平面的位移響應，圖中曲線表明在裂紋擴展過程中，裂紋尖端附近測點存在明顯的垂直位移波動，進一步表明了裂紋擴展過程中會釋放應力波，應力波在物體內部傳播后引起表面垂直位移，呈現出明顯的突發型信號特征。

圖5 監測點處位移變化

3 結語

本文基于ABAQUS仿真平臺，對某熱室設備支撐板的裂紋擴展過程進行了模擬，模擬結果表明在交變位移力作用下模型產生了明顯的裂紋擴展現象，裂紋擴展過程中伴隨著應力波的釋放，并引起了裂紋尖端附近區域垂直位移的波動，波動伴隨明顯的突發型信號特征，證明了使用監測手段對熱室設備斷裂故障監測的可行性。