[发明专利]一种炉衬结构多尺度模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于耐火材料细观损伤力学模型的炉衬结构多尺度模拟方法，具体为一种炉衬结构多尺度模拟方法。

背景技术

耐火材料广泛应用于冶金、机械、石油化工、建材等行业的各类工业窑炉及高温容器间的内衬结构中，是高温工业热工装备不可或缺的重要支撑材料。但同时，它也是高温炉衬结构中最薄弱的易损环节。

造成耐火材料损坏的主要因素包括两个方面：一是熔渣对介质的化学侵蚀；一是使用过程中产生的热应力破坏。化学侵蚀方面的研究，主要以物理化学为基础，利用分子动力学和热力学方法探寻耐火材料的侵蚀机理。在该研究领域，材料工作者已做了大量的工作，取得了许多研究成果。而关于耐火材料的热应力破坏，主要以数学和力学方法为基础，利用有限单元法等数值分析技术，模拟、预测和评价耐火材料使用过程中所经受的热机械应力和损毁行为，并应用于冶金炉衬的设计和指导耐火材料的开发。但在研究中发现，对耐火材料炉衬结构进行数值模拟分析时，仍存在一些问题亟待解决。

首先，在数值模拟分析中缺乏适合表征耐火材料非线性力学行为的本构关系模型；其次，在对炉衬结构进行强度分析时，缺乏适用于耐火材料的强度评价标准或破坏准则。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种炉衬结构多尺度模拟方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种炉衬结构多尺度模拟方法，包括以下步骤：

(1)建立耐火材料的细观损伤力学模型；

在建模过程中采用理论建模和实验研究同时进行，利用耐火材料的非线性力学行为建立联系；

首先，依据耐火材料的显微结构和宏观性能实验，建立细观力学模型；然后，利用超声波和声发射实验表征解释损伤的演化机理；其次，在此基础上，采用损伤力学方法建立细观损伤力学模型，并利用实验结果修正模型；最后，综合数值模拟和实验结果，确立基于细观力学的耐火材料损伤过程的数值模拟和强度评价方法；

(2) 将建立的细观损伤力学模型嵌入到有限元软件中，分别在宏观和微观两个尺度上对耐火材料进行分析，实现炉衬结构的多尺度模拟。

综上所述，本发明有益效果：

本发明可使耐火材料的微观设计与炉衬结构的宏观结构设计达到整体最优，提高炉衬耐火材料的使用寿命，降低耐火材料的消耗。

附图说明

    图1 耐火材料细观损伤力学模型的技术路线图；

图2 耐火材料炉衬结构多尺度模拟的技术路线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1-2所示，一种炉衬结构多尺度模拟方法，包括以下步骤：

(1) 建立耐火材料的细观损伤力学模型, 理论建模和实验研究同时进行，利用耐火材料的非线性力学行为建立联系;

建立耐火材料的细观损伤力学模型，包括以下步骤：

1) 耐火材料显微结构分析;

采用X—ray衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）和电子探针（EPMA）、图像分析仪和化学分析等手段分析耐火材料的相组成、晶粒大小数量分布、气孔大小数量分布等，掌握其显微结构特征；利用Hysitron原位纳米力学测试系统测得各物相的力学性能,通过简化和抽象，提取表达其细观力学模型的特征参数;

2) 耐火材料力学性能试验

按ASTM标准制作耐火材料试件，进行力学性能试验，获取耐火材料弹性模量、泊松比、强度、应力应变曲线等数据;

3) 建立耐火材料的细观力学模型

建立细观力学模型时，首先，通过耐火材料的显微结构分析，得到材料组成成分、体积含量及其空间分布，并对其进行简化，抽象出耐火材料显微结构的细观力学表征——代表体积单元；然后根据耐火材料的组成成分，确定各组分的局部物理性能；其次，利用相应的物理性能测试方法，测定材料的宏观物理性能；最后，利用非均质材料的均匀化方法，建立耐火材料代表体积单元内部各点的应力和应变与所施加外载之间的关系，从而得到材料显微结构与宏观性能之间的定量关系;

4) 损伤演化过程的实验表征