Code_Aster是法國電力集團(tuán)（EDF）研發(fā)的一款開源有限元仿真軟件，適用于固體力學(xué)、熱學(xué)和聲學(xué)等物理現(xiàn)象，具體細(xì)分為靜力學(xué)、動力學(xué)、土-結(jié)構(gòu)相互作用、流固耦合、傳熱學(xué)等方面的仿真分析，具備廣闊的應(yīng)用場景。Code_Aster通過核工業(yè)認(rèn)證，滿足法國核安全局和英國核監(jiān)管部門要求，在各工業(yè)領(lǐng)域尤其是能源電力領(lǐng)域有大量的工程和研發(fā)應(yīng)用案例。

汽輪機是核電站常規(guī)島中最關(guān)鍵的設(shè)備之一，負(fù)責(zé)將二回路水蒸氣的熱能轉(zhuǎn)化為機械能。而套環(huán)是汽輪機的一種鋼制旋轉(zhuǎn)件，安裝在轉(zhuǎn)子軸的兩端，用于固定感應(yīng)器繞組的線圈頭，正常運行工況下，不僅需要承擔(dān)部分汽輪機的自重載荷，還需承受汽輪機葉片轉(zhuǎn)動過程產(chǎn)生的高溫和機械振動（1500轉(zhuǎn)每分鐘）。

基于這種情況，細(xì)小的缺陷也很可能導(dǎo)致汽輪機發(fā)生故障，最終造成停堆。由于汽輪機運行工況的周期性特點，汽輪機套環(huán)易發(fā)生疲勞損傷現(xiàn)象，從而導(dǎo)致套環(huán)產(chǎn)生細(xì)微裂紋，或是導(dǎo)致已有的裂紋擴展。

法國電力公司為了評估套環(huán)的安全性和生命周期，使用Code_Aster的疲勞計算模塊進(jìn)行了靜力加載的裂紋擴展分析和循環(huán)加載的疲勞裂紋擴展分析。

• 張開性裂紋（Ⅰ型）
• 滑開型裂紋（Ⅱ型）
• 撕開型裂紋（Ⅲ型）

 

 

 

疲勞裂紋擴展速率    

根據(jù)Paris提出的公式    

來推得每次循環(huán)的應(yīng)力強度因子的峰值    

和材料的疲勞斷裂臨界值     對比

 

 

 

 

• 啟堆和停堆期間的汽輪機軸速（離心力）變化，這將導(dǎo)致汽輪機套環(huán)的鼓脹和軸向裂紋發(fā)生；
• 交變電流產(chǎn)生的熱量引起線圈受熱膨脹，由內(nèi)而外地對套環(huán)進(jìn)行擠壓，這將導(dǎo)致汽輪機套環(huán)容易發(fā)生周向裂紋。

• 復(fù)雜的熱力學(xué)邊界條件；
• 接觸和摩擦問題（套環(huán)和線圈等）；
• 不同尺寸的橢圓形裂紋缺陷，使用擴展有限元方法（X-FEM，該方法無需畫出裂紋形狀的網(wǎng)格）。

 

 

   

 

• 應(yīng)力強度因子的計算與周期性的熱量輸出峰值相關(guān)：,建立應(yīng)力強度因子與熱量的映射關(guān)系。

 

• 根據(jù)已有的應(yīng)力強度因子峰峰值計算材料壽命N_f：

 

• 迭代計算隨循環(huán)次數(shù)而變化裂紋尖端位置，得到下圖（初始橢圓幾何尺寸a=40mm，b=10mm)。