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).pdf

1、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

2、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)和組成兩個方面探討了材料宏觀性能存在差異的原因,發(fā)

3、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?；趶V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,與此同時進(jìn)行,顆粒逐步被二次基質(zhì)相“吞噬”;受壓過程中則只

4、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

5、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

6、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

7、>　　 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,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