【CAE案例】应力腐蚀开裂(SCC)的有限元仿真

01

研究背景

应力腐蚀开裂是指金属在氧化腐蚀和应力的共同作用下导致晶体结构变化从而引起的开裂现象。 核电厂一回路中的金属器件会受到放射性辐照,辐照损伤导致的晶体结构变化使应力腐蚀开裂现象更容易发生。
【CAE案例】应力腐蚀开裂(SCC)的有限元仿真的图1

图1 晶间应力腐蚀开裂的电镜扫描显示结果

基于晶体微观结构的建模和断裂力学有限元仿真可以对应力腐蚀开裂的过程进行可视化的模拟。利用有限元仿真,可以进一步提高我们对应力腐蚀开裂的理解,并且通过有限元仿真的方式可以对应力腐蚀开裂的产生进行相应的预测,为核电厂一回路的金属元器件正常运行提供相应的保障。
本案例基于有限元断裂力学仿真,对应力腐蚀开裂的生成过程进行相应的仿真。

02

仿真方案

在晶体微观结构建模上,本案例利用10节点四面体单元对晶粒结构进行相应建模,模拟实际的晶体结构。如下图所示,整个正方体结构代表研究样品的一个微小样本,每个彩色的不规则结构代表一个晶粒。整个所研究的材料样本的有限元网格中包含172个晶粒、52000个节点,35000个10节点四面体单元。平均每个晶粒中包含210个单元。

【CAE案例】应力腐蚀开裂(SCC)的有限元仿真的图2

图2 晶体的有限元建模
应力腐蚀有两种不同的类型,一种是沿晶腐蚀,另外一种是穿晶腐蚀,穿晶腐蚀的机理更加复杂。目前有限元仿真可以对沿晶应力腐蚀的过程做出仿真。首先需要确定所有晶粒之间的边界,从而进一步在仿真中得到发生应力腐蚀开裂的路径。如下图所示找出了所有的晶体边界。

【CAE案例】应力腐蚀开裂(SCC)的有限元仿真的图3

图3 开裂路径的设置
应力腐蚀过程存在着三个阶段:潜伏阶段、裂纹萌生阶段以及裂纹传播阶段。在潜伏阶段中,晶体微结构受到应力作用和晶间腐蚀作用的影响,但是并没有裂纹生成。在裂纹萌生阶段中,裂纹开始生成,但是裂纹穿透深度很小。之后裂纹逐渐扩展,达到裂纹传播阶段,此时裂纹扩大至可以穿过整个晶间区域。有限元仿真的一个难点在于准确的判断出不同的晶粒间所处的应力腐蚀的阶段,为此相关研究人员开发出了一套如下图所示的具体仿真流程。

【CAE案例】应力腐蚀开裂(SCC)的有限元仿真的图4

图4 应力腐蚀开裂仿真流程
仿真过程中可以通过不同晶粒之间的PH值判断是否发生氧化。考虑到本研究是基于有限元的断裂力学仿真,并没有引入多物理场。氧化一般会发生在金属与水的交界面上,当判断晶粒间出现氧化后,会给晶粒间一个更小的临界切应力,使得裂纹萌生的过程更容易发生。
首先,需要计算裂纹出现前晶体结构上的应力结果,再根据应力计算结果,基于开裂准则来判断裂纹是否萌生。下图中展示了(100)(111)(110)晶向交界处的平均等效应力计算结果。

【CAE案例】应力腐蚀开裂(SCC)的有限元仿真的图5

图5  晶体截面上平均等效应力的计算结果
再依据开裂准则可以判断出裂纹是否萌生和传播扩展,接下来就可以进一步对应力腐蚀开裂处的上下边界进行平均等效应力计算。下图展示了发生应力沿晶腐蚀后,每个高斯积分点上的等效应力计算值统计结果。

【CAE案例】应力腐蚀开裂(SCC)的有限元仿真的图6

图6  应力腐蚀开裂时高斯积分点上的等效应力计算结果

03

研究结论

应力腐蚀开裂的有限元仿真可以提高研究人员对于应力腐蚀开裂的认知,在协助验证假设机理的过程中可以起到重要作用。同时,通过有限元仿真也可以预测出裂纹萌生所需时间和裂纹拓展速度。在材料学晶体学的基础研究、实验研究中有限元仿真也可以协助改进实际工程模型。


更多资讯可登录格物CAE官方网站
https://cae.yuansuan.cn/

或关注公众号【远算云学院

远算在bilibili、知乎定期发布课程视频等内容

期待您的关注

CAE仿真模拟

【CAE案例】应力腐蚀开裂(SCC)的有限元仿真的评论0条

    暂无评论

    【CAE案例】应力腐蚀开裂(SCC)的有限元仿真的相关案例教程

    本人自毕业就开始从事CAE仿真分析工作,前后有七余载,后由于机缘巧合便转入全职CAE二次开发,至今也将近两年时间。在这总共近十年内始终混迹于CAE仿真行业。工作期间的经历既有成功带来的成就感与喜悦,也有失败带来的失落与困惑;既有来自周围人的信任与鼓励,也不乏严峻的挑战与质疑。回顾过往颇有诸多感悟,现总结于此,以作记录,希望对即将踏入CAE仿真行业或已入行不久仍有疑虑的同行们提供参考意见;同时也愿与
    为普及和推广云原生水动力仿真软件的使用,让更多用户体验云端水动力仿真软件的简单易用性,以及解决水利数字孪生四预应用中预警预报能力不足的问题,远算将于2024年1月26日举办格物云CAE基础水动力仿真培训。 格物云CAE是一套由远算研发,以结构、流体、水动力仿真软件为核心,国产可控的云原生仿真平台。其中,水动力仿真软件基于国产仿真内核研发,可以在线进行一维、二维、三维水动力仿真模拟,从零开始完成建模
    [ 摘 要 ] 阐述了应用 ANSYS 为代表的有限元 CAE 仿真技术对兵器行业发展的推动作用,介绍了有限元 CAE 仿真在兵器行业的主要研究内容和典型应用案例,并总结了常见的兵器结构仿真关键点,最后提出了该领域存在的一些问题和发展思路。 1 前言 兵器科学技术的发展凝集着人类的智慧,每个时代的兵器都代表着当时的科技水平。 20 世纪后,兵器发展进入了现代兵器时代。现代兵器是更加复杂、性能优良的
    1 前言 CAE(计算机辅助工程)用于电池开发设计是非常有效的方法。 将CAE用于电池开发设计的事例,其中含未发表的部分列于表1。CAE(计算机辅助工程设计)适用于流体、铸造、塑性加工等多种复杂的领域。本文介绍的是研讨拓展CAE的适用范围,将其用于可靠性高的固定型VRLA电池的结构设计的应用事例,是有关为提高36V—VRLA电池的性能,采用CAE研究电槽形状的实例报告。 2 事例(1):固定型VR
    CAE仿真软件一直在不断发展,一些重要的发展趋势值得国内CAE软件公司参考。如果在锂电池领域开发国产自主的CAE仿真软件,除了具备前文中所提到的需要将前沿电化学理论参数化表达,如果进一步形成系统的代码以及开发相应的仿真软件,依然需要符合CAE软件开发的一般规律,开发出来的软件产品需要具备比肩甚至超越国外CAE软件的性能。下面先就CAE软件的产品模块和功能特点进行分析。 功能和架构: 从大的方面来说
    首席工程师
    影响力
    粉丝
    内容
    获赞
    收藏
      项目客服
      培训客服
      0 2