本文關(guān)鍵詞：基于細(xì)觀力學(xué)的耐火材料損傷本構(gòu)模型開發(fā)與實(shí)現(xiàn)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《武漢科技大學(xué)》 2012年

基于細(xì)觀力學(xué)的耐火材料損傷本構(gòu)模型開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

劉昌明  

【摘要】：提高爐襯壽命是降低耐火材料消耗的主要途徑之一，數(shù)值模擬則是研究如何提高其壽命的重要方法。然而，耐火材料自身的微觀非均質(zhì)性所產(chǎn)生的復(fù)雜非線性力學(xué)行為以及損傷形式，使傳統(tǒng)的數(shù)值模擬技術(shù)和強(qiáng)度評價(jià)方法難以適用，這成為制約該項(xiàng)技術(shù)推廣和應(yīng)用的瓶頸。因此，研究耐火材料力學(xué)行為的損傷破壞機(jī)理，預(yù)測爐襯材料的損傷形式，，以及解決該類結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中缺乏適用于材料自身的本構(gòu)關(guān)系和強(qiáng)度準(zhǔn)則的難題，對提高爐襯結(jié)構(gòu)的使用壽命具有十分重要的意義。 本文以鎂碳質(zhì)耐火材料為研究對象，從材料的細(xì)觀力學(xué)建模、以聲發(fā)射試驗(yàn)為核心試驗(yàn)手段的微觀損傷試驗(yàn)表征和細(xì)觀損傷力學(xué)模型的有限元嵌入三個(gè)方面對爐襯耐火材料的力學(xué)行為進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。論文的主要工作包括如下內(nèi)容： 1、運(yùn)用改進(jìn)的廣義自洽算法對鎂碳質(zhì)耐火材料進(jìn)行了力學(xué)性能估算 針對基質(zhì)相成分不同對鎂碳質(zhì)耐火材料宏觀力學(xué)性能的巨大影響，采用改進(jìn)的廣義自洽算法，從其顯微結(jié)構(gòu)和組成兩個(gè)方面探討了材料宏觀性能存在差異的原因，發(fā)現(xiàn)耐火材料基質(zhì)相的性能對材料宏觀性能影響很大，為評估耐火材料整體力學(xué)性能提供了一種全新的思路。 2、提出了一種模擬耐火材料非線性力學(xué)行為拉壓非對稱損傷特性的算法 在了解材料組分影響及其損傷形式的基礎(chǔ)上，將細(xì)觀力學(xué)方法應(yīng)用于耐火材料非線性力學(xué)行為研究中。基于廣義自洽模型，對材料的拉壓損傷過程分別提出物理假設(shè)：受拉過程中，基質(zhì)逐步與氣孔融合形成二次基質(zhì)相，與此同時(shí)進(jìn)行，顆粒逐步被二次基質(zhì)相“吞噬”；受壓過程中則只有基質(zhì)與氣孔融合過程，而顆粒保持不變。借助改進(jìn)的廣義自洽算法對材料在受拉壓載荷下的損傷過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬的結(jié)果可以較好地與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，證明了本假設(shè)的合理性。該方法避免了在實(shí)際操作過程中的復(fù)雜損傷判別過程，為耐火材料損傷行為的研究提供了一條嶄新的思路。 3、提出了一種定量表征耐火材料損傷程度的界面相損傷模型 在基質(zhì)相與顆粒相之間假想存在一層帶有厚度的界面相，建立基于界面損傷的耐火材料損傷本構(gòu)關(guān)系用以描述損傷演化過程。在常溫?fù)p傷模型的基礎(chǔ)上，考慮溫度因素，得到包含溫度效應(yīng)的界面損傷模型并以子程序形式嵌入至有限元本構(gòu)模型中。借助界面相損傷模型，可以直觀得到界面損傷程度對材料宏觀性能的影響，簡化了傳統(tǒng)彈簧模型的計(jì)算過程，搭建起細(xì)觀界面與宏觀性能之間的橋梁，在研究方法上為耐火材料的損傷行為研究提出了新的思路。 4、提出了基于信號分析方法的耐火材料損傷特征提取 對材料進(jìn)行了力學(xué)性能測試并利用信號分析的方法對材料的損傷進(jìn)行了試驗(yàn)表征。分別采用小波能譜系數(shù)法實(shí)現(xiàn)耐火材料的損傷模式識別和功率譜分析法實(shí)現(xiàn)對材料損傷程度的表征。將材料的損傷過程劃分為三個(gè)階段并提取了信號的質(zhì)心能量作為表征損傷的特征參數(shù)，該參數(shù)將作為損傷函數(shù)表達(dá)式的輸入，嵌入至細(xì)觀損傷本構(gòu)力學(xué)模型中。該處理方式解決了傳統(tǒng)聲發(fā)射數(shù)據(jù)處理方式中從時(shí)域入手簡單描述損傷的限制，從損傷分類以及損傷程度兩個(gè)方面對耐火材料損傷行為進(jìn)行了定量試驗(yàn)表征。 5、建立了耐火材料細(xì)觀損傷力學(xué)模型 借助理論建模部分與試驗(yàn)表征部分的研究成果，建立了耐火材料細(xì)觀損傷力學(xué)模型：采用與試驗(yàn)表征相同的損傷階段劃分，提出并定義代表材料損傷程度的損傷函數(shù)，并以特征能量作為損傷函數(shù)輸入量利用有限元軟件ABAQUS自帶子程序UMAT，將損傷本構(gòu)模型程序化并嵌入數(shù)值計(jì)算中；同時(shí)，將考慮溫度效應(yīng)的界面損傷模型以場變量的形式附加到常溫?fù)p傷本構(gòu)模型之上。計(jì)算結(jié)果表明，模型在材料單元壓力響應(yīng)方面與試驗(yàn)值具有良好的一致性，而在預(yù)測材料三點(diǎn)彎曲的抗折模量和抗折強(qiáng)度方面與試驗(yàn)值相差較大，主要原因在于未考慮受拉情形的損傷本構(gòu)關(guān)系。該方法綜合了理論與試驗(yàn)的結(jié)果，使耐火材料力學(xué)損傷行為的研究呈現(xiàn)出系統(tǒng)性與一致性，為材料損傷行為的研究奠定了基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：武漢科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TQ175.1
【目錄】：

摘要4-6

Abstract6-12

第一章 緒論12-29

1.1 基于細(xì)觀力學(xué)的耐火材料損傷本構(gòu)模型研究意義及現(xiàn)狀12-24

1.1.1 耐火材料損傷行為的研究現(xiàn)狀14-19

1.1.1.1 復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)的研究現(xiàn)狀14-16

1.1.1.2 細(xì)觀損傷力學(xué)的研究現(xiàn)狀16-19

1.1.1.2.1 含微氣孔、微裂紋材料的彈性模量與彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的研究17

1.1.1.2.2 顆粒相復(fù)合材料中界面損傷對材料彈塑性性能的影響17-18

1.1.1.2.3 顆粒相復(fù)合材料的界面局部損傷與彈性性能18-19

1.1.1.2.4 顆粒相復(fù)合材料中基質(zhì)相的損傷對材料彈塑性性能的影響19

1.1.2 基于聲發(fā)射試驗(yàn)表征材料損傷的研究現(xiàn)狀19-22

1.1.2.1 聲發(fā)射試驗(yàn)技術(shù)的研究歷史與現(xiàn)狀19-20

1.1.2.2 利用聲發(fā)射技術(shù)對耐火材料進(jìn)行損傷檢測的研究現(xiàn)狀20-22

1.1.3 非均質(zhì)材料與跨尺度的研究現(xiàn)狀22-24

1.1.3.1 跨尺度研究兩種主要方法的優(yōu)缺點(diǎn)22

1.1.3.2 材料設(shè)計(jì)中的多尺度分析方法22-23

1.1.3.3 多尺度模擬應(yīng)用現(xiàn)狀23

1.1.3.4 多尺度研究的進(jìn)一步發(fā)展：材料微觀損傷演化與失效退化行為分析現(xiàn)狀23

1.1.3.5 材料微結(jié)構(gòu)的模擬現(xiàn)狀23-24

1.1.3.6 目前多尺度研究理論發(fā)展的主要障礙24

1.2 論文研究方案24-27

1.2.1 耐火材料顯微結(jié)構(gòu)分析25

1.2.2 耐火材料力學(xué)性能試驗(yàn)25

1.2.3 建立耐火材料的細(xì)觀力學(xué)模型25-26

1.2.4 損傷演化過程的試驗(yàn)表征26-27

1.2.4.1 聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)26

1.2.4.2 損傷演化過程的物理解釋及其定量表征26-27

1.2.5 建立耐火材料的細(xì)觀損傷力學(xué)模型27

1.2.6 數(shù)值模擬27

1.3 論文的主要內(nèi)容27-29

1.3.1 耐火材料顯微結(jié)構(gòu)與外載荷之間相互作用的特征描述—細(xì)觀力學(xué)模型27

1.3.2 耐火材料損傷演化過程的試驗(yàn)表征27-28

1.3.3 耐火材料損傷本構(gòu)模型建立及數(shù)值模擬28-29

第二章 基于細(xì)觀力學(xué)的耐火材料損傷模擬29-69

2.1 基于細(xì)觀力學(xué)模型估算鎂碳耐火材料基質(zhì)的力學(xué)性能29-40

2.1.1 復(fù)合材料性能預(yù)測的細(xì)觀力學(xué)方法研究背景30-33

2.1.2 廣義自洽模型33-37

2.1.3 鎂碳質(zhì)耐火材料基質(zhì)力學(xué)性能探究37-39

2.1.4 結(jié)果分析與討論39-40

2.2 基于細(xì)觀力學(xué)模擬耐火材料非線性力學(xué)行為40-50

2.2.1 耐火材料非線性力學(xué)行為的解釋41-42

2.2.2 耐火材料非線性力學(xué)行為假設(shè)42-44

2.2.2.1 受拉損傷行為假設(shè)43

2.2.2.2 受壓損傷行為假設(shè)43-44

2.2.3 改進(jìn)的廣義自洽模型44-45

2.2.4 技術(shù)路線45

2.2.5 由彈性模量與應(yīng)力之間的關(guān)系推導(dǎo)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系45-46

2.2.6 鎂碳質(zhì)耐火材料的非線性力學(xué)行為預(yù)測46-49

2.2.7 結(jié)果分析與討論49-50

2.3 基于界面相模型的耐火材料損傷演化細(xì)觀力學(xué)表征50-67

2.3.1 顆粒復(fù)合材料的界面相模型52-54

2.3.2 耐火材料損傷表征54-55

2.3.2.1 耐火材料損傷過程的物理假設(shè)54-55

2.3.2.2 耐火材料的損傷定義55

2.3.3 基于界面相模型的鎂碳質(zhì)耐火材料損傷研究55-67

2.3.3.1 試驗(yàn)材料及其制備55

2.3.3.2 常溫單軸受壓損傷過程模擬55-58

2.3.3.2.1 損傷過程模擬55-57

2.3.3.2.2 建立界面參數(shù)-損傷因子關(guān)系57-58

2.3.3.3 常溫單軸受拉損傷過程模擬58-60

2.3.3.4 高溫單軸受壓損傷過程模擬60-64

2.3.3.5 高溫單軸受拉損傷過程模擬64-67

2.3.4 結(jié)果分析與討論67

2.4 本章小結(jié)67-69

第三章 基于聲發(fā)射檢測的耐火材料微觀損傷的試驗(yàn)表征方法69-92

3.1 鎂碳質(zhì)耐火材料的制備與基本物性69-72

3.1.1 試樣的制備70

3.1.2 顯微結(jié)構(gòu)分析70-71

3.1.3 組成相彈性模量測定71-72

3.2 力學(xué)性能試驗(yàn)72-80

3.2.1 宏觀力學(xué)性能試驗(yàn)72-74

3.2.2 聲發(fā)射試驗(yàn)74-80

3.2.2.1 聲發(fā)射系統(tǒng)74-78

3.2.2.1.1 聲發(fā)射儀74-75

3.2.2.1.2 聲發(fā)射傳感器75-76

3.2.2.1.3 DiSP 系統(tǒng)的主要特性76

3.2.2.1.4 聲發(fā)射儀相關(guān)參數(shù)指標(biāo)76-78

3.2.2.2 聲發(fā)射信號表征參數(shù)78-80

3.3 聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)分析80-91

3.3.1 基于小波能譜系數(shù)的損傷模式分類81-87

3.3.1.1 小波變換82

3.3.1.2 小波特征能譜系數(shù)82-83

3.3.1.3 損傷模式劃分83-86

3.3.1.4 結(jié)果與討論86-87

3.3.2 基于質(zhì)心頻率及其攜帶能量的損傷特征提取87-91

3.3.2.1 信號功率譜分析87-89

3.3.2.2 質(zhì)心頻率與累積能量時(shí)間歷程對照89-91

3.4 本章小結(jié)91-92

第四章 耐火材料損傷本構(gòu)模型的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)92-111

4.1 損傷本構(gòu)模型92-97

4.1.1 以基質(zhì)損傷為主的初始損傷階段93-95

4.1.2 以基質(zhì)與界面復(fù)合損傷為主的損傷演化階段95-96

4.1.3 粘塑性準(zhǔn)則96-97

4.2 ABAQUS 用戶子程序97-100

4.2.1 用戶子程序接口概述97-98

4.2.2 用戶材料子程序 UMAT98-100

4.3 鎂碳耐火材料損傷本構(gòu)模型子程序 UMAT100-105

4.3.1 定義狀態(tài)變量101-102

4.3.2 損傷判別102-104

4.3.3 粘塑性準(zhǔn)則104-105

4.4 數(shù)值模擬105-109

4.4.1 壓縮試驗(yàn)105-107

4.4.2 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)107-109

4.4.2.1 抗折彎曲模量107-108

4.4.2.2 抗折彎曲強(qiáng)度108

4.4.2.3 試驗(yàn)值108

4.4.2.4 模擬值108-109

4.5 本章小結(jié)109-111

第五章 結(jié)論與展望111-113

5.1 結(jié)論111-112

5.2 展望112-113

參考文獻(xiàn)113-127

攻讀博士學(xué)位期間承擔(dān)的科研項(xiàng)目及研究成果127-129

致謝129-130

主要創(chuàng)新點(diǎn)130

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8 楊焱麟;基于小波變換理論與比值分析法的變壓器勵(lì)磁涌流識別的研究[D];山東科技大學(xué);2010年

9 張明軍;基于小波包最優(yōu)樹的圖像融合技術(shù)研究[D];山東科技大學(xué);2010年

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【二級參考文獻(xiàn)】

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【相似文獻(xiàn)】

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中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前9條

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5 郗武;混凝土單軸受壓細(xì)觀統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型研究[D];西安建筑科技大學(xué);2013年

6 尹相振;混凝土動態(tài)破壞過程的細(xì)觀數(shù)值方法研究[D];大連理工大學(xué);2014年

7 楊文東;壩基軟弱巖體的非線性蠕變損傷本構(gòu)模型及其工程應(yīng)用[D];山東大學(xué);2008年

8 王者超;鹽巖非線性蠕變損傷本構(gòu)模型研究[D];中國科學(xué)院研究生院（武漢巖土力學(xué)研究所）;2006年

9 汪輝平;巖土變形全過程統(tǒng)計(jì)損傷模擬方法研究[D];湖南大學(xué);2013年

  本文關(guān)鍵詞：基于細(xì)觀力學(xué)的耐火材料損傷本構(gòu)模型開發(fā)與實(shí)現(xiàn)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：99269