【EDF开源CAE】使用Code_Aster对改进型气冷反应堆石墨慢化剂作裂纹分析

改进型气冷堆结构图

固体的石墨慢化剂在随反应堆安装完工以后，必须一直服役直到反应堆退役，中途无法修复也无法更换，因此石墨慢化剂的使用寿命限制了整个反应堆的寿命。而反应堆内高温、高压和辐照的严苛的服役环境使得石墨慢化剂的应力开裂不可避免，那么确定石墨慢化剂的服役寿命对于控制反应堆的投入产出和保证反应堆安全都有着重要意义。

改进型气冷堆的石墨慢化剂

本次算例的目的是使用Code_Aster对准脆性石墨慢化剂的裂纹扩展进行模拟，确定裂纹自动扩展的路径，以及评估裂纹扩展后的石墨慢化剂的机械强度。

本算例将用Code_Aster对三维混合型裂纹这种开裂情况进行裂纹扩展模拟，施加的荷载为单调荷载。几何模型如下图所示。 

石墨慢化剂截面图

工程上进行裂纹计算主要用到的方法有以下几种，均可在Code_Aster中实现：

1.格里菲斯理论。这是一种从宏观上去描述裂纹的理论，要研究裂纹的扩展行为，必须先定义处宏观裂纹。针对这一理论，我们一般使用XFEM扩展有限元方法，其优点就是在裂纹发生扩展后不需要更新网格，只需要修改扩展后裂纹的属性即可。

2.粘连单元法。用这种方法模拟裂纹扩展的前提是已知裂纹扩展的路径，并沿裂纹扩展的路径生成相匹配的网格。当裂纹的性质符合某个准则时，裂纹顺着预定的路径扩展，网格自动打开。

3.损伤力学法。此方法不需要构建中已经存在宏观的裂纹，而是从材料的微观缺陷出发，通过改变材料微观缺陷附近的本构关系来描述这一缺陷。这一方法对模型的要求比较高，一般使用自适应网格和并行计算来处理。

三维混合型裂纹示意图