【EDF开源CAE案例】Code_Aster对汽轮机套环的疲劳损伤与裂纹扩展模拟

Code_Aster是法国电力集团（EDF）研发的一款开源有限元仿真软件，适用于固体力学、热学和声学等物理现象，具体细分为静力学、动力学、土-结构相互作用、流固耦合、传热学等方面的仿真分析，具备广阔的应用场景。Code_Aster通过核工业认证，满足法国核安全局和英国核监管部门要求，在各工业领域尤其是能源电力领域有大量的工程和研发应用案例。

汽轮机是核电站常规岛中最关键的设备之一，负责将二回路水蒸气的热能转化为机械能。而套环是汽轮机的一种钢制旋转件，安装在转子轴的两端，用于固定感应器绕组的线圈头，正常运行工况下，不仅需要承担部分汽轮机的自重载荷，还需承受汽轮机叶片转动过程产生的高温和机械振动（1500转每分钟）。

基于这种情况，细小的缺陷也很可能导致汽轮机发生故障，最终造成停堆。由于汽轮机运行工况的周期性特点，汽轮机套环易发生疲劳损伤现象，从而导致套环产生细微裂纹，或是导致已有的裂纹扩展。

法国电力公司为了评估套环的安全性和生命周期，使用Code_Aster的疲劳计算模块进行了静力加载的裂纹扩展分析和循环加载的疲劳裂纹扩展分析。

• 张开性裂纹（Ⅰ型）
• 滑开型裂纹（Ⅱ型）
• 撕开型裂纹（Ⅲ型）

 

 

 

疲劳裂纹扩展速率    

根据Paris提出的公式    

来推得每次循环的应力强度因子的峰值    

和材料的疲劳断裂临界值     对比

 

 

 

 

• 启堆和停堆期间的汽轮机轴速（离心力）变化，这将导致汽轮机套环的鼓胀和轴向裂纹发生；
• 交变电流产生的热量引起线圈受热膨胀，由内而外地对套环进行挤压，这将导致汽轮机套环容易发生周向裂纹。

• 复杂的热力学边界条件；
• 接触和摩擦问题（套环和线圈等）；
• 不同尺寸的椭圆形裂纹缺陷，使用扩展有限元方法（X-FEM，该方法无需画出裂纹形状的网格）。

 

 

   

 

• 应力强度因子的计算与周期性的热量输出峰值相关：,建立应力强度因子与热量的映射关系。

 

• 根据已有的应力强度因子峰峰值计算材料寿命N_f：

 

• 迭代计算随循环次数而变化裂纹尖端位置，得到下图（初始椭圆几何尺寸a=40mm，b=10mm)。