一種爐襯結(jié)構(gòu)多尺度模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于耐火材料細(xì)觀損傷力學(xué)模型的爐襯結(jié)構(gòu)多尺度模擬方法，具體為一種爐襯結(jié)構(gòu)多尺度模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002]耐火材料廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械、石油化工、建材等行業(yè)的各類工業(yè)窯爐及高溫容器間的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)中，是高溫工業(yè)熱工裝備不可或缺的重要支撐材料。但同時(shí)，它也是高溫爐襯結(jié)構(gòu)中最薄弱的易損環(huán)節(jié)。
[0003]造成耐火材料損壞的主要因素包括兩個(gè)方面:一是熔渣對介質(zhì)的化學(xué)侵蝕；一是使用過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力破壞?；瘜W(xué)侵蝕方面的研究，主要以物理化學(xué)為基礎(chǔ)，利用分子動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)方法探尋耐火材料的侵蝕機(jī)理。在該研究領(lǐng)域，材料工作者已做了大量的工作，取得了許多研究成果。而關(guān)于耐火材料的熱應(yīng)力破壞，主要以數(shù)學(xué)和力學(xué)方法為基礎(chǔ)，利用有限單元法等數(shù)值分析技術(shù)，模擬、預(yù)測和評價(jià)耐火材料使用過程中所經(jīng)受的熱機(jī)械應(yīng)力和損毀行為，并應(yīng)用于冶金爐襯的設(shè)計(jì)和指導(dǎo)耐火材料的開發(fā)。但在研究中發(fā)現(xiàn)，對耐火材料爐襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)，仍存在一些問題亟待解決。
[0004]首先，在數(shù)值模擬分析中缺乏適合表征耐火材料非線性力學(xué)行為的本構(gòu)關(guān)系模型；其次，在對爐襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)，缺乏適用于耐火材料的強(qiáng)度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)或破壞準(zhǔn)則。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所解決的技術(shù)問題在于提供一種爐襯結(jié)構(gòu)多尺度模擬方法，以解決上述【背景技術(shù)】中提出的問題。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
一種爐襯結(jié)構(gòu)多尺度模擬方法，包括以下步驟:
(1)建立耐火材料的細(xì)觀損傷力學(xué)模型；
在建模過程中采用理論建模和實(shí)驗(yàn)研究同時(shí)進(jìn)行，利用耐火材料的非線性力學(xué)行為建立聯(lián)系；
首先，依據(jù)耐火材料的顯微結(jié)構(gòu)和宏觀性能實(shí)驗(yàn)，建立細(xì)觀力學(xué)模型；然后，利用超聲波和聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)表征解釋損傷的演化機(jī)理；其次，在此基礎(chǔ)上，采用損傷力學(xué)方法建立細(xì)觀損傷力學(xué)模型，并利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果修正模型；最后，綜合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確立基于細(xì)觀力學(xué)的耐火材料損傷過程的數(shù)值模擬和強(qiáng)度評價(jià)方法；
(2)將建立的細(xì)觀損傷力學(xué)模型嵌入到有限元軟件中，分別在宏觀和微觀兩個(gè)尺度上對耐火材料進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)爐襯結(jié)構(gòu)的多尺度模擬。
[0007]綜上所述，本發(fā)明有益效果:
本發(fā)明可使耐火材料的微觀設(shè)計(jì)與爐襯結(jié)構(gòu)的宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到整體最優(yōu)，提高爐襯耐火材料的使用壽命，降低耐火材料的消耗。
【附圖說明】
[0008]圖1耐火材料細(xì)觀損傷力學(xué)模型的技術(shù)路線圖；
圖2耐火材料爐襯結(jié)構(gòu)多尺度模擬的技術(shù)路線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0009]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0010]實(shí)施例1
如圖1-2所示，一種爐襯結(jié)構(gòu)多尺度模擬方法，包括以下步驟:
(I)建立耐火材料的細(xì)觀損傷力學(xué)模型，理論建模和實(shí)驗(yàn)研究同時(shí)進(jìn)行，利用耐火材料的非線性力學(xué)行為建立聯(lián)系；
建立耐火材料的細(xì)觀損傷力學(xué)模型，包括以下步驟:
1)耐火材料顯微結(jié)構(gòu)分析；
采用X—ray衍射儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)和電子探針(ΕΡΜΑ)、圖像分析儀和化學(xué)分析等手段分析耐火材料的相組成、晶粒大小數(shù)量分布、氣孔大小數(shù)量分布等，掌握其顯微結(jié)構(gòu)特征；利用Hysitron原位納米力學(xué)測試系統(tǒng)測得各物相的力學(xué)性能，通過簡化和抽象，提取表達(dá)其細(xì)觀力學(xué)模型的特征參數(shù)；
2)耐火材料力學(xué)性能試驗(yàn)
按ASTM標(biāo)準(zhǔn)制作耐火材料試件，進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，獲取耐火材料彈性模量、泊松比、強(qiáng)度、應(yīng)力應(yīng)變曲線等數(shù)據(jù)；
3)建立耐火材料的細(xì)觀力學(xué)模型
建立細(xì)觀力學(xué)模型時(shí)，首先，通過耐火材料的顯微結(jié)構(gòu)分析，得到材料組成成分、體積含量及其空間分布，并對其進(jìn)行簡化，抽象出耐火材料顯微結(jié)構(gòu)的細(xì)觀力學(xué)表征——代表體積單元；然后根據(jù)耐火材料的組成成分，確定各組分的局部物理性能；其次，利用相應(yīng)的物理性能測試方法，測定材料的宏觀物理性能；最后，利用非均質(zhì)材料的均勻化方法，建立耐火材料代表體積單元內(nèi)部各點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變與所施加外載之間的關(guān)系，從而得到材料顯微結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的定量關(guān)系；
4)損傷演化過程的實(shí)驗(yàn)表征
耐火材料的微觀結(jié)構(gòu)損傷直接影響其宏觀力學(xué)性能，在宏觀尺度和微觀尺度上對其損傷演化過程進(jìn)行監(jiān)測，在宏觀尺度上，選用既能反映其力學(xué)性能，又能反映損傷狀況的彈性模量作為指標(biāo)，利用超聲波技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測；在微觀尺度上，采用聲發(fā)射技術(shù)對微觀結(jié)構(gòu)的損傷強(qiáng)度和部位進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)驗(yàn)環(huán)境為進(jìn)行加載控制的一個(gè)熱循環(huán)周期(加熱一保溫一冷卻)；
a)彈性模量與溫度關(guān)系實(shí)驗(yàn)；
采用超聲波脈沖回波掃描技術(shù)(ultrasonic pulse echography)記錄熱循環(huán)期間耐火材料的彈性模量隨溫度的變化曲線； b)聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)
聲發(fā)射(AE)是材料受力作用產(chǎn)生變形或斷裂時(shí)，以彈性波的形式釋放出應(yīng)變能量的一種現(xiàn)象，它表征了材料微觀結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)的變化，通過檢測耐火材料在加載狀態(tài)下的AE信號，研究微裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展直至破壞過程的AE信號的特征；根據(jù)不同相材料開裂釋放應(yīng)力波的差異，分析顯微結(jié)構(gòu)中不同部位(各相或相界面)發(fā)生裂紋時(shí)AE信號的譜特征，為準(zhǔn)確定位裂紋部位提供依據(jù)；
c)損傷演化過程的物理解釋及其定量表征
高溫彈性模量的變化是耐火材料微觀結(jié)構(gòu)損傷的宏觀表征，聲發(fā)射信號可以檢測微觀結(jié)構(gòu)的損傷；根據(jù)耐火材料的彈性模量隨溫度的變化曲線，將微觀結(jié)構(gòu)的損傷過程分成若干階段，并用不同的損傷函數(shù)進(jìn)行表示；通過分析聲發(fā)射信號的采樣數(shù)和頻率結(jié)構(gòu)成分，確定微觀結(jié)構(gòu)的損傷程度和部位。綜合對比彈性模量變化規(guī)律與聲發(fā)射檢測分析結(jié)果，結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)觀察，合理解釋熱循環(huán)過程中耐火材料微觀結(jié)構(gòu)的損傷演化機(jī)理及其對宏觀力學(xué)性能的影響，得到損傷過程中不同階段的損傷部位、損傷程度的數(shù)學(xué)描述一損傷函數(shù)，利用細(xì)觀力學(xué)定量描述損傷過程奠定基礎(chǔ)；
5)建立耐火材料的細(xì)觀損傷力學(xué)模型
利用所建的耐火材料細(xì)觀力學(xué)模型，研究在上述實(shí)驗(yàn)外載狀態(tài)下其顯微結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的變化，結(jié)合實(shí)驗(yàn)表征結(jié)果，對比分析耐火材料損傷過程中不同階段的微觀損傷機(jī)理與細(xì)觀力學(xué)模型局部應(yīng)力狀態(tài)之間的聯(lián)系，將不同損傷形式的損傷函數(shù)計(jì)入細(xì)觀力學(xué)模型，建立耐火材料的細(xì)觀損傷模型，實(shí)現(xiàn)其損傷演化過程的定量描述，為耐火材料非線性力學(xué)行為的數(shù)值模擬和強(qiáng)度評價(jià)提供科學(xué)依據(jù)；
6)模型驗(yàn)證與非線性力學(xué)行為仿真
根據(jù)高溫彈性模量變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對模型進(jìn)行修正，利用修正后的細(xì)觀損傷力學(xué)模型，模擬和仿真耐火材料的非線性力學(xué)行為；
(2)將建立的細(xì)觀損傷力學(xué)模型嵌入到有限元軟件中，分別在宏觀和微觀兩個(gè)尺度上對耐火材料進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)爐襯結(jié)構(gòu)的多尺度模擬；
實(shí)現(xiàn)爐襯結(jié)構(gòu)多尺度模擬包括以下步驟:
a)耐火材料爐襯結(jié)構(gòu)的多尺度模擬
將所建立的細(xì)觀損傷模型通過編制用戶子程序嵌入到商業(yè)有限元軟件中。首先在宏觀尺度上對爐襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，然后利用宏觀結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果作為細(xì)觀損傷模型的代表體積單元的邊界條件，獲得代表體積單元的局部應(yīng)力分布，預(yù)測其微觀結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)及其對宏觀結(jié)構(gòu)破壞的影響，實(shí)驗(yàn)爐襯結(jié)構(gòu)的多尺度模擬；
(i)爐襯結(jié)構(gòu)的宏觀尺度模擬
利用通用有限元分析軟件，建立高溫爐襯結(jié)構(gòu)的有限元模型；將基于細(xì)觀損傷力學(xué)的耐火材料宏觀非線性力學(xué)行為的定量描述編寫成接口程序，嵌入到有限元分析軟件中，作為耐火材料的本構(gòu)關(guān)系模型；通過施加合適的邊界條件和載荷，對高溫爐襯結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行模擬；
(?)耐火材料的微觀尺度模擬
由于耐火材料的骨料顆粒為um級，而有限元網(wǎng)格一般為mm級，因此，可以根據(jù)有限元計(jì)算的結(jié)果，將每個(gè)單元應(yīng)力值和溫度值作為細(xì)觀力學(xué)模型中等效均勻材料(HEM)的外載荷，分別計(jì)算代表體積單元(RVE)內(nèi)部各處應(yīng)力；利用嵌入到有限元軟件中的耐火材料的細(xì)觀損傷力學(xué)模型，判定耐火材料各相材料的損傷狀態(tài)和損傷程度，并用不同顏色顯示出來，為高溫爐襯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度評價(jià)提供依據(jù)；
b)耐火材料爐襯結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)化
根據(jù)多尺度模擬結(jié)果，從宏觀(爐襯結(jié)構(gòu)幾何形狀、邊界條件、材料性能)和微觀(耐火材料的顯微結(jié)構(gòu))兩個(gè)尺度提出改進(jìn)措施，使耐火材料的微觀設(shè)計(jì)與爐襯結(jié)構(gòu)的宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到整體最優(yōu)，降低耐火材料爐襯的損壞幾率，提高使用壽命。
[0011]對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。
[0012]此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種爐襯結(jié)構(gòu)多尺度模擬方法，其特征是，包括以下步驟: (1)建立耐火材料的細(xì)觀損傷力學(xué)模型； (2)將建立的細(xì)觀損傷力學(xué)模型嵌入到有限元軟件中，分別在宏觀和微觀兩個(gè)尺度上對耐火材料進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)爐襯結(jié)構(gòu)的多尺度模擬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種爐襯結(jié)構(gòu)多尺度模擬方法，其特征是，所述的細(xì)觀損傷力學(xué)模型是結(jié)合細(xì)觀力學(xué)模型和損傷過程中的實(shí)驗(yàn)表征，采用損傷力學(xué)方法建立的模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種爐襯結(jié)構(gòu)多尺度模擬方法，其特征是，所述的細(xì)觀力學(xué)模型是根據(jù)耐火材料的顯微結(jié)構(gòu)和宏觀性能實(shí)驗(yàn)建立的模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種爐襯結(jié)構(gòu)多尺度模擬方法，其特征是，所述的損傷過程中的實(shí)驗(yàn)表征是通過超聲波和聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)得到的。
【專利摘要】一種爐襯結(jié)構(gòu)多尺度模擬方法，包括以下步驟：(1)建立耐火材料的細(xì)觀損傷力學(xué)模型；(2)將建立的細(xì)觀損傷力學(xué)模型嵌入到有限元軟件中，分別在宏觀和微觀兩個(gè)尺度上對耐火材料進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)爐襯結(jié)構(gòu)的多尺度模擬。本發(fā)明可使耐火材料的微觀設(shè)計(jì)與爐襯結(jié)構(gòu)的宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到整體最優(yōu)，提高爐襯耐火材料的使用壽命，降低耐火材料的消耗。
【IPC分類】G06F9-455, G06F17-50
【公開號】CN104657530
【申請?zhí)枴緾N201310600824
【發(fā)明人】王志剛, 李斯, 劉昌明, 李友榮
【申請人】武漢科技大學(xué)
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2013年11月25日