IG-11石墨材料断裂韧性数值模拟研究

王莞珏，史 力，赖士刚，孙立斌

(清华大学 核能与新能源技术研究院，北京 100084)

在高温气冷堆中，石墨作为慢化剂、反射层与主要的堆芯结构材料[1]，工作环境复杂。在辐照应力[2]、热应力[3]与机械应力的作用下，石墨构件上可能产生裂纹并扩展。因此，为使反应堆能安全运行，核级石墨的断裂性能研究对于保持结构的完整性和尺寸的稳定性十分重要。

断裂韧性的尺寸效应是核石墨重要的断裂特性。研究表明，对于石墨材料，断裂韧性并非常数，随着试样尺寸而变化[4-6]。鉴于从不同尺寸试样所获取的性能会影响预测结果的可靠性，尺寸效应对于核石墨结构的安全性评估十分重要。Romanoski等[4]通过测试多种不同尺寸的核石墨试样，发现随着试样尺寸的增加，断裂韧性增大。史力等[5]对夹层梁试样进行了三点弯曲试验，数值模拟研究了核石墨IG-110的断裂韧性性能，论证了数值分析在裂纹扩展过程中断裂韧性研究的可靠性。Bažant等[7]通过对陶瓷材料的断裂研究，发展了一种可分析材料尺寸效应、裂纹尖端断裂过程区域(FPZ)的等效长度以及等效裂纹尖端张开位移的理论模型，此模型认为断裂韧性的尺寸效应归因于裂纹尖端断裂过程区域的存在。

内聚力模型(CZM)作为一种唯象断裂模型经常结合有限元方法来模拟裂纹的萌生与扩展[8-9]。基于CZM，Zou等[10]开发了连续损伤模型(CDM)来模拟核石墨构件的失效，所得到的预测结果与试验结果具有很好的一致性。

最近，人们开发了扩展有限元方法(XFEM)来模拟裂纹的扩展。……