【摘 要】
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针对降本增效和节能减排的发展需求,核能因高清洁、低污染得到了广泛关注。目前,高温气冷堆技术已成为核能系统中的核心技术之一,紧凑型多通道换热器是其重要部件,其可靠性直接影响高温气冷堆的能量转换效率。多通道换热器主要用钎焊工艺进行封装,其钎焊接头部位常常是发生断裂失效的危险区域。因此,掌握钎焊接头的断裂损伤规律具有重要的工程价值。然而对钎焊接头裂纹扩展失效的研究目前主要集中在钎焊工艺、残余应力等方面,
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针对降本增效和节能减排的发展需求,核能因高清洁、低污染得到了广泛关注。目前,高温气冷堆技术已成为核能系统中的核心技术之一,紧凑型多通道换热器是其重要部件,其可靠性直接影响高温气冷堆的能量转换效率。多通道换热器主要用钎焊工艺进行封装,其钎焊接头部位常常是发生断裂失效的危险区域。因此,掌握钎焊接头的断裂损伤规律具有重要的工程价值。然而对钎焊接头裂纹扩展失效的研究目前主要集中在钎焊工艺、残余应力等方面,利用微型试样检测手段对钎焊接头力学性能的研究甚少。本课题以304/BNi-2不锈钢钎焊接头为研究对象,利用有限元分析和试验研究相结合的方法,在GTN细观损伤模型的基础上完成了小冲杆常温测试技术的模拟,另外基于延性耗竭模型的概念开发了用户子程序,实现了钎焊接头在小冲杆高温蠕变试验条件下的裂纹扩展过程,为钎焊结构的设计提供参考。主要的研究工作和结论如下:(1)通过小冲杆常温试验,得到钎焊接头的载荷-位移曲线,并通过逆向求解法由数值模拟得到了钎料区的无损伤弹塑性参数和GTN模型参数。(2)在GTN塑性损伤模型的基础上对钎焊接头进行了有限元分析,得到了其裂纹扩展规律,并通过实验证明了GTN模型能够准确地模拟钎焊接头的裂纹扩展规律。同时也验证了所获得的钎料区力学性能参数的准确性;研究了摩擦系数、压头直径、下模孔径、母材厚度以及钎缝间隙对裂纹扩展的影响并对原因进行了分析。(3)基于断裂力学和损伤力学,开发了适用于钎焊接头的延性耗竭蠕变损伤子程序,建立了小冲杆蠕变试验模型。对钎焊接头蠕变损伤裂纹萌生和扩展进行有限元计算,得到了钎焊接头的蠕变规律并提出了寿命预测方程。通过对比发现:在相同的应力下,钎焊接头的最小蠕变速率比母材大,钎焊接头的蠕变性能弱于母材。(4)深入研究了网格划分、摩擦系数、钎料层厚度以及材料拘束对钎焊接头蠕变裂纹萌生和扩展的影响规律并分析了原因。结果表明:优选蠕变系数和应力指数较低而蠕变延性较高的钎料,同时适当增加钎料层的厚度可提高304/BNi-2钎焊接头的蠕变强度和寿命。
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