核反應堆承壓設備的設計應有足夠裕度,保證壓力邊界在任何正常運行工況和預計運行事件下不致被破壞,其結(jié)構(gòu)完整性直接影響到核電廠的安全運行。焊接又是核承壓設備制造中的關(guān)鍵工藝,焊接殘余應力的存在使得焊接部位極易產(chǎn)生裂紋,從而發(fā)生失效。中國科學院上海應用物理研究所正在設計、建造的釷基熔鹽堆系統(tǒng)中包含眾多高溫機械設備,針對高溫設備服役安全問題,需采用合適有效的方法對設備服役期間的結(jié)構(gòu)完整性進行分析與評估,判斷含缺陷設備是否安全,為設備設計及運行維護提供建議。在此工程背景下本文以鎳基合金焊接為研究對象,使用ABAQUS軟件,采用有限元數(shù)值模擬方法進行鎳基合金環(huán)形焊縫焊接數(shù)值模擬,焊后熱處理模擬,并結(jié)合BS7910-2013《Guide to methods for assessing the acceptability of flows in metallic structures》進行壓力容器結(jié)構(gòu)失效評估研究。主要研究內(nèi)容與成果如下:1)鎳基合金管道環(huán)形焊縫殘余應力數(shù)值模擬研究。以中國科學院上海應用物理研究所正在建造的釷基熔鹽縮比仿真堆(TMSR-SF0)中的回路管道為研究對象,對管道焊接過程進行了數(shù)值模擬。首先對環(huán)形焊接模擬結(jié)果可靠性進行了驗證;之后考察隨內(nèi)徑厚度比D/B變化時,軸向與周向焊接殘余應力以及變形量的變化趨勢。發(fā)現(xiàn)內(nèi)徑厚度比影響焊接殘余應力以及變形量的大小。2)管道環(huán)焊焊后熱處理模擬。選取D/B=1環(huán)形焊接模型,依據(jù)Norton蠕變準則,在保溫溫度為650℃時,進行不同保溫時間的焊后熱處理殘余應力的分析;然后選取合適的蠕變激活能,獲取760℃時的Norton方程參數(shù),進行相應的焊接后處理模擬,考察相同保溫時間下,不同保溫溫度對降低焊接殘余應力的影響趨勢。進而對鎳基合金焊接后處理工藝的優(yōu)化提供有意義的參考,選擇合適的保溫溫度,可在短時間內(nèi)有效降低殘余應力。3)含缺陷結(jié)構(gòu)失效應力分析方法研究。根據(jù)英國結(jié)構(gòu)完整性評估標準BS7910:2013,考慮焊接殘余應力影響,采用FAD(Failure Assessment Diagram)失效評估方法對鎳基合金壓力容器筒體上含內(nèi)表面裂紋焊接部位進行安全評估。首先采用有限元(FEA)方法,對壓力容器V型、X型坡口環(huán)焊縫多層多道對接焊進行數(shù)值模擬,獲取焊接殘余應力分布,并將V型坡口對接焊焊接殘余應力曲線與BS7910:2013標準殘余應力分布進行了對比。其次,對BS7910:2013 1級-FAC(Failure Assessment Curve)曲線進行公式推導,在焊接位置考慮殘余應力、應力集中、塑性失效因子三因素的影響,對軸向內(nèi)部半橢圓裂紋進行了失效應力預測。殘余應力分布直接影響失效應力的值,且結(jié)合有限元模擬方法得到的焊縫中心線處失效應力是偏保守的,更能保證工程參考的安全性。
【學位單位】：中國科學院大學(中國科學院上海應用物理研究所)
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TL353;TG457
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 課題背景與研究意義
    1.2 焊接模擬發(fā)展現(xiàn)狀
        1.2.1 國內(nèi)焊接模擬研究現(xiàn)狀
        1.2.2 國外焊接模擬研究現(xiàn)狀
        1.2.3 焊后熱處理模擬現(xiàn)狀
    1.3 缺陷評估方法應用研究國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.3.1 國內(nèi)缺陷評估方法應用研究現(xiàn)狀
        1.3.2 國外缺陷評估方法應用研究現(xiàn)狀
    1.4 本文主要研究內(nèi)容
第2章 管道環(huán)形焊接模擬
    2.1 焊接過程基本形式與理論
        2.1.1 焊接傳熱本構(gòu)方程
        2.1.2 應力場
    2.2 ABAQUS焊接模擬方法
    2.3 環(huán)形對接焊數(shù)值模擬
        2.3.1 環(huán)形對接焊模型參數(shù)
        2.3.2 材料屬性
        2.3.3 網(wǎng)格無關(guān)性分析
        2.3.4 焊接過程瞬時溫度場
        2.3.5 不同焊道時刻應力場變化
        2.3.6 模型驗證
    2.4 不同D/B下變形與應力場結(jié)果分析
        2.4.1 不同D/B下變形量結(jié)果
        2.4.2 不同D/B時焊接殘余應力結(jié)果
    2.5 本章小結(jié)
第3章 管道環(huán)焊焊后熱處理模擬
    3.1 焊接后熱處理模擬理論
        3.1.1 本構(gòu)方程
        3.1.2 鎳基合金蠕變激活能
        3.1.3 模型驗證
    3.2 管道V型坡口環(huán)焊焊接后熱處理模型
    3.3 管道V型坡口環(huán)焊焊后熱處理結(jié)果
        3.3.1 相同保溫溫度不同保溫時間焊后熱處理結(jié)果分析
        3.3.2 不同保溫溫度焊后熱處理結(jié)果分析
    3.4 本章小結(jié)
第4章 壓力容器環(huán)形焊縫結(jié)構(gòu)失效應力分析
    4.1 BS7910簡介
    4.2 模型與參數(shù)
        4.2.1 結(jié)構(gòu)模型與缺陷參數(shù)
        4.2.2 環(huán)形對接焊模擬有限元模型
        4.2.3 材料參數(shù)
    4.3 V型坡口環(huán)形對接焊殘余應力
        4.3.1 周向殘余應力
        4.3.2 軸向焊接殘余應力
    4.4 X型坡口焊接殘余應力
    4.5 依據(jù)FAD失效評定圖失效應力計算
        4.5.1 FAC失效評定曲線化簡
        4.5.2 失效應力計算結(jié)果
    4.6 本章小結(jié)
第5章 總結(jié)與展望
    5.1 總結(jié)
    5.2 創(chuàng)新性
    5.3 展望
參考文獻
附錄
致謝
作者簡歷及攻讀學位期間發(fā)表的學術(shù)論文與研究成果作者簡歷

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本文編號：2871658