01 案例背景

歧管是化石燃料发电站的重要部件之一，用于将蒸汽收集汇总。在日常的工厂运行周期里，歧管易受到机械疲劳的影响；同时受运行阶段的温度和应力条件影响，也会出现蠕变的现象。

图1 SHT型歧管

为了评估歧管的相关设计参数，特别是厚度对其寿命的影响，法国电力公司开展DUCAT项目计划进行相关模拟，从而帮助设计与日常维护。

02 研究方法

在此案例中，分别针对Champagne sur-Oise火电站使用的歧管与该型歧管壁厚减少20%的改进设计进行模拟。为了满足计算精确度的要求，在建模与网格划分中共生成14286 个节点（共42858 个自由度）和 17364 个二次单元（10930 个六面体和 6434 个四边形面单元，用于边界条件的设置）。边界条件采用持续5min的-38℃/min温度梯度的不利温度瞬态。这是常见于火电站启动期间次数较少但幅值较大的降温循环。

图2 歧管瞬态温度变化

对于歧管在这个减温循环中的行为计算，需要一个新的模型去描述歧管的机械疲劳与蠕变现象。对此在通用结构仿真软件中调用VISC_CIN2_CHAB模型，这是一种Chaboche 类型的新粘弹塑性行为模型，包括两个随动强化和一个非线性各向同性强化。同时使用宏命令MACR_RECAL对所研究的歧管材料，牌号为10CD9-10钢的行为规律进行了识别，并成功地与 MMC 部门通过 SIDOLO识别的结果进行了比较。

图3 MACR_RECAL识别结果验证

03 结果

在降温循环过程中，冷冲击结束时，如图4所示，在接头部分承受着较大的温度梯度。同时，如图5所示，该处的温度梯度会引起较大的应力分布，接头部分会显示出疲劳问题，因此，疲劳现象仅局限于具有很大温度梯度的部分。

图4 冷冲击结束后的温度场（℃）

图5 冷冲击结束后的应力分布

使用IMPR_TABLE功能以表格的形式输出关键部位上的累积塑性形变结果，将两种设计的歧管的累积塑性形变进行对比，降温瞬态下的塑性变形结果如图6所示，与原本设计相比，壁厚更薄的歧管疲劳损伤更小，厚度减少20%的设计，其使用寿命增加约43%，疲劳损伤计算结果见表1。在以后的计算中将考虑包括蠕变造成的损害。为此，将之前计算的结果用于所研究的两种设计，以确定蠕变损伤情况。最终使用疲劳-蠕变相互作用的非线性模型可以在一定的可信度下评估歧管受到该典型负载时的寿命。

图6 减温循环期间在塑性最大应力的高斯积分点处累积塑性变形（%）

表1 疲劳损伤计算(Manson-Coffin曲线)

04 总结

在通用结构仿真软件中使用VISC_CIN2_CHAB定义的新粘弹塑性行为模型可对部件机械疲劳与蠕变行为进行模拟，从而对其寿命进行预测，为将来重要部件的设计与日常维护提供了新方法。本次模拟结果表明可以通过降低歧管壁厚的方法降低因冷冲击带来的机械疲劳现象。

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