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)。
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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。
材料和结构的断裂与否常由应力强度因子(Facteurs d‘intensité de contraintes)与材料的标准临界值Kc对比来判断,而Ⅰ型裂纹在实际工程应用是最容易断裂的裂纹类型。疲劳问题的载荷通常以周期性的形式存在,此时的应力强度因子也随加载规律而呈现周期性变化,材料的裂纹扩展则需要用另一种方法来计算:疲劳裂纹扩展速率
即用裂纹长度的增量和交变应力的循环次数增量的比值来定量计算,表示交变应力每循环一次裂纹长度的平均增量。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
对比根据几何和边界条件的对称性,将汽轮机套环简化为1/8模型,通过Salome中的HOMARD模块将网格作密化处理,最终采用了1501970单元数量,包含286338节点数的TETRA4四面体网格。
- 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。
对比两种导致裂纹产生的原因,热膨胀引起的周向裂纹概率远大于轴速变化引起的轴向裂纹。因此在本研究中仅考虑了周向裂纹,选取其常见的表征类型Ⅰ型(张开型)裂纹。- 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)。
code_aster的CALC_G模块提供了计算应力强度因子的功能,能够直接输出观测点上的应力强度因子。在本研究中,我们对套环最容易产生裂纹的部位(槽)建立了X-FEM单元的椭圆张开型裂纹。下图为不同尺寸的裂纹和不同方向上的应力强度因子曲线:从图中可观察到,左右两侧的裂纹存在应力集中现象,应力强度因子最大,即裂纹扩展速率最快;而随着初始裂纹尺寸的增大,应力强度因子的最大值也在增大。针对交变电流产生的周期性热载荷所产生的疲劳问题,裂纹扩展分析主要分为以下步骤:- 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)。
图中黑色实线为初始的裂纹位置,红线和黑色圆形线为实验观测得到的结果,绿线和蓝线为计算得到的结果。结果显示裂纹最终在套环边界处停止,和真实情况的裂纹相当吻合。在应力集中的左右两侧,真实情况的裂纹位置在计算的裂纹外侧,表明此处的真实裂纹扩展速率比计算的更大,计算结果相对保守。该案例主要对汽轮机套环进行了断裂-疲劳裂纹扩展分析,考虑了由交变电流引起的周期性热载荷,利用测得的交变电流的频率,可以推断裂纹箍在循环载荷下的疲劳寿命,并从而研究最佳的汽轮机运行控制策略,为汽轮机套环部件的寿命评估提供了重要分析依据。
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