一种测量Er2O3/316L不锈钢阻氚系统热应力的有限元模拟方法与流程

本发明涉及产氚/氦3靶件以及氚设施阻氚涂层系统的，尤其是涉及一种测量er2o3/316l不锈钢阻氚系统热应力的有限元模拟方法。

背景技术：

1、在靶件产氚以及氚设施运行中，氚渗透是亟需解决的问题。氚的渗透不仅会造成核燃料的损失，还会导致环境的污染。氚在金属中以原子的形式扩散，渗透能力较强。在陶瓷材料中，氚以分子的形式扩散，其渗透能力相比于在金属中的渗透能力低几个数量级。因此，研究表明涉氚装置以及设施中，通过在金属结构材料表面制备陶瓷涂层是阻氚渗透的一种有效方法。

2、目前，综合国内外研究成果，可以将阻氚涂层划分为：非氧化物涂层和氧化物涂层。在众多阻氚涂层材料中，er2o3具有良好的热稳定性，高阻氚渗透能力，并且在中子辐照下可以保持原有的电绝缘性等优点，被认为是最优质的阻氚涂层候选材料。同时，316l不锈钢是实验聚变堆所使用的结构材料。研究表明：氚在316l不锈钢中渗透率高，容易造成氢脆现象。因此在其表面制备er2o3陶瓷薄膜既可以有效阻止氚的渗透，同时也能够保证316l不锈钢的性能不受影响。近些年，在316l不锈钢表面制备er2o3涂层得到了广泛的应用，并得到了良好的阻氚渗透的效果。

3、然而在阻氚涂层系统服役中，由于er2o3涂层和316l不锈钢基底材料属性存在差异，系统在高温服役环境下，交界面会产生热应力。热应力可转化为剪切应力，造成涂层开裂、剥落，进而对实验聚变堆的安全运行造成隐患。由此可以看出，涂层与基底交界面处的应力大小是决定阻氚系统稳定与否的关键。然而，由于阻氚涂层厚度较薄(微米级)，通过现有实验测量方法很难得到交界面热应力的大小，并且对于整体系统热应力分布的实验测量更是存在一定的难度。此外，目前对涂层热应力的研究通常将基底表面形貌简化为光滑形式。然而，在实际生产中，基底表面抛光后不可避免的产生一定的粗糙度。实验表明服役环境下，基底表面粗糙度不仅会改变涂层热应力的分布，而且还会对涂层力学性能造成影响。因此，研究具有粗糙基底的er2o3/316l不锈钢阻氚系统中，交界面的热应力以及整体系统热应力分布情况，对揭示涂层热失效机制起着重要作用。

4、在与工程、力学等相关领域上，采取有限元模拟的方法，可以有效解决解决实验无法测量的微米级厚度涂层中的力学测量问题。节约了实验经费，提高了工作效率，也为探索涂层系统失效原因，以及后期制备高热稳定性涂层的研制起到了一定的指导意义。目前在阻氚涂层领域，已经开展了一部分有限元的工作，主要集中在涂层力学性能的测试，外力作用下多重微裂纹的扩展研究等方面，如专利cn202011448368.6公开了一种al2o3/316l不锈钢阻氚系统纳米压痕的有限元模拟方法，专利cn202011464196.1公开了一种粗糙基底的al2o3/316l不锈钢阻氚系统表面多重裂纹的扩展有限元模拟方法。但是对交界面应力测量及整体系统热应力分布的研究成果却不多见，因此迫切需要开发一种基于有限元技术的便捷新方法来解决此问题。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种测量er2o3/316l不锈钢阻氚系统热应力的有限元模拟方法，能够得到热应力沿粗糙交界面的分布规律，以及可视化的系统热应力分布情况，将复杂问题简单化。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明提供一种测量er2o3/316l不锈钢阻氚系统热应力的有限元模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

4、s1：模型的建立：在ansys workbench软件的geometry模块中，将整体模型等效为圆柱体，由于模型具有轴对称性，因此可以将该系统简化为在x-y平面内的二维模型进行分析，对316l不锈钢基底表面进行扫描，确定形貌，根据扫描结果，将粗糙的基底表面简化为正弦函数曲线来表达，选取粗糙基底表面上分布相对规律的区域作为代表基底表面进行分析，建立代表基底表面正弦函数曲线模型，确定基底表面粗糙度正弦函数的半波长h和振幅a的值，然后建立涂层与基底模型；

5、s2：添加材料参数：在ansys workbench软件界面中添加static structural模块，在engineering data中的contents ofengineering data中创建er2o3和316l不锈钢属性库，在toolbox中，输入对应两种材料的coefficient of thermal expansion，young’smodulus，poisson’s ratio和tensile yield strength，在model模块中对surface body和substrate body中的material assignment分别赋予对应的材料；

6、s3：网格划分：涂层和基底的网格划分中，均采用number of division和elementsize两种方式进行网格划分；

7、s4：边界条件：在static structural模块中插入displacement。geometry选择基底底部，在definition中x component选择为free，y component选择为0。继续在staticstructural模块中插入displacement。geometry选择涂层左侧，在definition中xcomponent选择为0，y component选择为free；

8、在static structural模块中，选择thermal condition，definition中的magnitude设置为600℃；

9、通过位移有限元方法，得到单元节点上等效外力p与单元节点应力σ之间的关系，然后得到由热应力造成的热应变张量的关系式；

10、s5：结果表征与分析：通过s4得到的关系式获取er2o3/316l不锈钢阻氚系统的热应力沿着交界面的分布情况和系统热应力的整体分布情况。

11、进一步的，s1中，代表基底表面正弦函数曲线模型的建立步骤如下：

12、a1：在excel中建立数组，a列中第a1到a251单元格均设定为1，b列b1单元格设置为0，以1为差额，递增至b251单元格，值为250，c列中c1位置为0，以0.1为差额递增，c251位置值为25，d列中通过函数y＝1.2*sin(pi()c1/12.5)计算c列中每一点所对应的y值，e列中e1到e251单元格中值均为0，将上述得到的数组保存为.txt文件；

13、a2：在ansys workbench软件的geometry模块原plane 1坐标系中，建立curve，在curve中的coordinates file中添加a1中创建的.txt文件，生成正弦函数曲线单元体；

14、a3：在geometry模块中建立pattern模块，在pattern模块内geometry中选择a2中生成的正弦函数曲线单元体，其中，direction方向选择x轴正方向，copies选择为599，生成长度为15000μm的正弦函数曲线。

15、进一步的，s1中，涂层与基底模型的建立步骤如下：

16、b1：在geometry模块的translate中选中代表基底表面正弦函数曲线模型，将代表基底表面正弦函数曲线模型移动到指定位置；

17、b2：建立plane 2坐标系，在此坐标系中建立sketch projection，选中代表基底表面正弦函数曲线模型，使得代表基底表面正弦函数曲线模型映射到sketch中，形成sketch1，在plane 2坐标系中建立新的sketch，命名为sketch 2，在sketch2中建立涂层的两条短边和顶边，继续在plane 2坐标系中建立新sketch 3，在sketch3中建立基底的两条短边与底边；

18、b3：在concept选项中点击surfaces from edges，形成涂层surf 1，重复上述步骤，形成基底surf 2；

19、b4：在tree outline中，将代表涂层与基底的两个surface body组合成一个体，并抑制所有line body，完成涂层与基底模型的建立；

20、b5：在涂层与基底模型中插入交界面path。

21、进一步的，s2中，在toolbox中选择linear elastic中的isotropic elasticity，输入两种材料对应的young’s modulus和poisson’s ratio；

22、在toolbox中选择strength中，输入两种材料对应的tensile yield strength；

23、在model模块project内part部件里，分别对surface body和substrate body中material assignment分别赋予对应的材料。

24、进一步的，s3中，涂层的网格划分中，在project内mesh中，选择涂层的两条短边，在definition对应的number of division的方式进行划分，通过设定bias factor的方式对交涂层两条短边的网格密度进行了加密，behavior设置为hard，bias factor设置为3.0；

25、在project内mesh中，选择涂层的顶部长边，在definition对应的type中选择element size的方式进行网格划分，behavior设置为hard；

26、在project内mesh中，选择涂层底部正弦线，在definition对应的type中选择element size的方式进行网格划分，behavior设置为hard。

27、进一步的，s3中，基底的网格划分中，在project内mesh中，选择基底对应的两条短边，在definition对应的type中选择element size的方式进行网格划分，behavior设置为hard，bias type设置为6.0；

28、在project内mesh中，选择基底对应的底边，在definition对应的type中选择element size的方式进行网格划分，behavior设置为hard；

29、在project内mesh中，分别选择涂层和基底两部分进行face meshing划分。

30、进一步的，s4中，单元节点上等效外力p与单元节点应力σ之间的关系为：

31、

32、其中b为弹性模量，v为体积。

33、进一步的，s4中，单元节点中应变ε和节点位移u的关系为：ε＝bu，其中b为弹性模量。

34、进一步的，s4中，单元节点中应变ε和单元热应变εt、塑性应变εp和弹性应变εe的关系式为：ε＝εt+εp+εe，弹性应变εe满足胡克定律。

35、进一步的，s4中，由热应力造成的热应变张量满足如下关系式：

36、

37、其中，为热应变张量的变化率，αij(t)为瞬时热膨胀系数。

38、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

39、(1)本发明能够得到热应力沿着粗糙交界面的分布规律，以及可视化的系统热应力分布情况。

40、(2)本发明借助于科学的建模方法并结合有限元技术，将复杂的问题简单化，弥补了实验中无法得到的实验结果，设计过程方便快捷，设计思路便捷，使用过程方便简单。