Code_Aster在双金属焊接基准数值模拟的应用
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。
01 研究背景
在英国，大约20%的电力是由改进型气冷堆提供。截止至2014年大部分反应堆的运行时间已接近其设计寿命30年。为了提高其效益，需要对反应堆的状况进行评估、分析、检修，在保证其安全性的情况下，将其使用寿命延长至2024年。
为研究不停堆直接进行维修加固的可能性，需要对运行状态下（600℃）的蒸汽发生器脊柱维修进数值建模和模拟。
02 案例展示
首先对蒸汽发生器脊柱建模进行简化并划分网格，网格采用六面体单元，总单元数约为500000，网格在焊接区域和裂纹区域密度增大，裂纹分为尖裂纹和和缺口裂纹。
假设材料为均匀介质（包括焊接部分），在纯弹性情况和弹塑性情况采用不同的材料特性。原环形焊接处和修复焊接处的残余应力场由实验测得，输入的残余应力场作为初值不断迭代，直到后平衡应力场和实验数据相符，实验数据如下图所示：
03 模拟结果
以缺口裂纹模型的计算为例，裂尖单元大小为0.15mm，计算裂尖的能量释放率（G(θ) 和 J）在裂纹前端的固定距离。
能量释放率在弹性/塑性条件下的计算结果对比
1）
在弹性条件下，Code_Aster和ABAQUS的计算结果符合很好，差异小于2% (图1中黑色曲线）；
2）
在塑性条件下，发现模型有显著的裂纹扩展；
04 结语
计算的能量释放率G由假定应变能密度导出，同样由应变能也可以计算应力情况。由于模型的假设限制计算结果有一定局限性：
1）计算结果实际上不能描述不可逆的塑性变形，仅适用于超弹性和非线性弹性行为。结果不包含任何局部卸载的卸载过程，也不包括任何局部应力的重构。
2）假设应力的加载路径保持radial以保证主应力的比例不随时间变化。全局单调的加载，显然不足以保证模型在非均匀应力场下的表现。
