【《金属氧化物储氢探究的国内外文献综述》5700字】

[19]。采用了ITER氚SDS床，该容器主要面临着温度载荷和内压载荷。金属储氢材料吸收和释放氚时，对主容器先加热再冷却，加热温度达到了500℃，冷却要将温度降低至室温。这也就意味着大量温度循环被施加在主容器上，主容器会因为多次循环的温度载荷引而出现热疲劳现象。循环变化的热应力随着随着吸放氢的发生施加于主容器上，计算得到了循环的温度载荷下的应力幅值和出现次数，并进行疲劳分析。奥氏体不锈钢在温度达到一定水平时会出现蠕变/应力松弛，该仿真实验设计的操作温度达到了这一水平，并且该操作温度持续了一段时间，需要对其进行蠕变损伤分析。基于此，对于容器在考虑疲劳和蠕变的情况下进行安全性能的评估。该作者针对温度载荷和压力载荷使用ANSYS软件分别建立两个模型来进行分析。在考虑储氢材料锆钴合金会与主容器发生热交换的情况下建立了第一个模型来计算其温度分布，对锆钴合金进行了建模。在考虑氢气给主容器施加压力的情况下建立了第二个模型，计算其应力分布，为了使储氢材料和氢充分接触以增加吸氢效率，采用粉末状锆钴合金来吸放氢，粉末状储氢材料对于主容器压力的承担情况并无多大影响，在建模时不考虑储氢材料。在第一个模型中，对于温度载荷的施加通过热通量来实现，参考的实验中是通过将电缆加热器安装在主容器外壁从而实现了加热操作，所以在有限元计算中，外壁和电缆加热器的接触面就是热通量施加的位置。考虑到实验中会出现无法计算的微量热能损失，有限元分析模型无法完美的模拟出实验条件。使用试错法，按照实验收集的信息，尽可能地模拟计算得到温度分析中可用的载荷设置方案，尽可能真实地模拟操作实验条件下测得的温度分布历程。作者模拟的温度分布历程来自NFRI（NationalFusionResearchInstitute）将加热冷却载荷施加于氚SDS床进行的实验，如图1-2所示。在该实验中测得的温度历程是通过在上部电缆加热器表面设置了一个测试点（定为TC06）和在下部电缆加热器表面设置了一个测试点（定为TC07），然后收集这两个点处的温度历程得到。经过模拟计算，在有限元计算中TC06和TC07两点处的温度历程与实验中测得的两点处的温度历程进行比较，比较结果显示一致，所以该有限元计算中的载荷设计合理，计算结果有效。图1-2NFRI实验设计图[19]该作者在采用了合理的载荷设计进行有限元模拟计算得到温度分布等数据，基于标准ASMEBoilerandPressureVesselCode,SectionIII,Division1,SubsectionNBandSubsectionNH，对于容器的蠕变和疲劳进行了评估。评估需要将有限元模拟计算结果中的主应力，弯曲应力和二次应力值分别与设计应力强度的1.0Sm，1.5Sm，3.0Sm等所有允许值进行比较，该设计应力强度由ASME规范给出，Sm为ASME标准中316钢材料在相应温度和时间下的设计许用应力。热疲劳损伤较小，蠕变效应更是小到可以忽略不计的地步，原因在于温度载荷较小，容器处于会发生蠕变的高温区域持续时间较少。选定了两个较为危险的截面进行寿命的评估，假定设计寿命均为10000周期，均能满足寿命设计标准。减小加热速率从而使容器温度缓慢升高能够有效降低热应力，也意味着可以通过使容器更加缓慢的升温的方式来增加容器的设计余量。从评估的最终结果来看，想要使结构完整性和设计余量增加，可以使用新的操作程序。该作者使用ANSYS建立了两个模型，并对储氢容器施加了温度载荷和压力载荷，计算得到了应力分布等数据结果，也进行了疲劳和蠕变分析。但其分别建立了两个模型针对温度载荷和机械载荷分开来计算研究，也就意味着其并没有对于温度载荷和机械载荷同时加载的情况进行计算分析，也没有对容器结构优化提出或许可行的建议。1.2疲劳发展人类对于疲劳的研究起源于蒸汽动力引起的结构失效。蒸汽动力的出现，大大增加了机器的运转效率，也意味着机器的转速和载荷大大增加了，这就导致了大量工业机器结构的失效，机械化工厂、蒸汽轮船、蒸汽火车等纷纷因为疲劳导致的结构失效出现各种事故，与之相对的，人们对于疲劳的认识和重视与日俱增。疲劳研究历程如下REF_Ref31281\n\h[20]：表1-1疲劳发展历程时间人物成果1828年Albert提出疲劳的概念1850年Wohler第一台疲劳试验机1871年Wohler应力寿命曲线和疲劳极限Basquin对于S-N曲线的描述1884年Bauschinger循环应力-应变滞回曲线1945年Miner线性累积损伤的理论公式1958年Kachanov材料性能退化或者材质受损的描述Rabothnow有效应力和损伤因子概念1977年Janson等损伤力学概念Fatemi、嵇应凤疲劳积累损伤理论研究的回顾1979年Schütz相对Miner法则Manson、Grover双线性疲劳累积损伤模型Marco-Starkey非线性疲劳累积损伤模型Kachanov连续度的概念Rabotnov损伤因子概念Chaboche描述了疲劳损伤累积规律Manson、Halford提出了一个疲劳损伤积累公式1.3NCODE实现计算疲劳NCODE软件全名ANSYSNCODEDESIGNLIFE，由ANSYS公司与专注于疲劳分析领域的HBM公司合作推出，可集成于ANSYSWORKBENCH平台使用，已有三十多年的历史，是非常优秀的疲劳分析软件。通过搭建流程图来建立分析任务，并且可以方便地读取ANSYS结果文件与材料库REF_Ref5460\n\h[21]。S-N曲线为弹性应力幅值（或者应力变化范围）与材料失效的载荷循环次数的曲线图。在有多个循环加载时，可以通过疲劳累积效应（米勒准则：假设总损伤是对部分损伤的线性累加，不考虑加载顺序，当损伤比之和大于或者等于1时判定发生损伤失效，使用较为广泛）将其联系起来确定最终的疲劳损伤，这就必须确定每个应力幅值的大小（即最大应力减去最小应力）和平均应力以及其相应的循环次数，而雨流循环计数算法就是较为常见的适用于应力寿命方法的计数方法。雨流循环计数算法将加载历史记录分组为加载块，每个块的损伤是总损伤的一部分，由加载块引起的疲劳损伤分数通过加载块应用循环次数除以加载块可用循环疲劳使用寿命得到，再将每个加载块造成的疲劳损伤分数相加得到总的疲劳损伤。应力疲劳分析，也就是寿命基于交变的应力控制，需要根据CAE的分析结果进行计算。疲劳分析过程。利用FE结果和载荷谱构造器配对生成应力变化历程。提取出组合的应力参数。雨流计算出应力变化历程中的不同应力幅值以及其对应的平均应力。利用雨流计算出的参数结合材料的S-N曲线计算疲劳损伤。将损伤累加得到总的疲劳损伤。该疲劳计算结果基于统计学和经验准则，具有一定的不确定性，在精确程度上相较于强度计算稍为逊色。NCODE可以实现热疲劳和热-机疲劳计算，认为材料的疲劳性能会因为温度变化产生相应的变化，很多时候随着温度的提升金属材料的疲劳性能会有显著下降，通过多温度S-N曲线（随着温度的上升绘制不同的S-N曲线）来实现。热疲劳，指的是循环的热应力或者热应变由于循环的温度梯度而出现在金属材料上，从而使得疲劳损伤和破坏出现在结构上。其特点为温度的反复变化，以及温度变化带来的热应力的循环变化。热-机疲劳，循环的热应力或者热应变由于循环的温度梯度而出现在金属材料上的同时还有外部机械载荷的循环作用，在两种载荷的共同作用下出现了疲劳损伤和破坏。特点是温度的反复循环带来的热应力或者热应变的反复循环，以及机械载荷引起的循环的应力或者应变循环。等温疲劳，温度场不变，由温度梯度带来的热应力或者热应变不变，同时有机械载荷的循环引起的应力或者应变的循环，在不能忽视温度对于材料的疲劳性能的基础基础上进行疲劳损伤和寿命的计算。NCODE通过HybridLoadProvider来描述材料的疲劳性能随着温度的变化而变化的现象，为模型的每个单元或者节点赋予相应的温度或者温度变化历程，以及由温度梯度带来的热应力载荷。即可以实现温度与交变热应力或者热应变的结合，同时再与机械载荷相结合。这就需要提供模型的温度场计算结果和相应的热应力或者热应变计算结果，以及单独的机械载荷作用下的应力或者应变的计算结果。可以采用ANSYSWORKBENCH或者ABAQUS等软件来实现，并导入到NCODE中。长时间的高温会使材料的力学性能出现强度下降、塑性增加的影响。高温：通过对T/Tm（也就是约比温度）进行比较来描述，比较对象一般在0.4到0.5之间进行选取，当T/Tm大于判定值时，判定为高温。反之则为低温。当缓慢塑性形变产生在长时间受到稳定的温度场、稳定的机械载荷的作用下的材料上时，称之为蠕变，由此而产生的断裂为蠕变断裂。可以使用蠕变曲线对材料的蠕变行为进行描述。蠕变曲线通常分为三个阶段，减速蠕变或者过渡阶段，恒速蠕变或者稳定阶段，加速蠕变或者失稳阶段。应力、应变、温度、时间都是蠕变应变率计算需要考虑的参数。NCODE中可以进行蠕变疲劳的分析。可以使用Larson-Miller方法计算，即认为损伤是线性累加的，又或者通过Chaboche方法进行计算，即包含损伤的非线性累加。其分析流程与热疲劳分析基本相同，只需增加蠕变分析引擎，设置蠕变分析材料属性即可进行蠕变疲劳计算。使用Robinson’sRule，即认为蠕变和疲劳之间的相互作用是线性的，将蠕变损伤和疲劳损伤相加可以得到总的损伤。本次模拟实验采用Larson-Miller方法，可以使用两种材料数据方式进行定义，多项式和曲线的直接绘制。当计算温度和载荷变化时的蠕变疲劳损伤时，按每个采样点计算增量损坏，即每个时间步对损伤增量进行一次计算，再将所有时间步的损伤增量求和，得到一个位置总的蠕变损伤。损伤增量由该时间步长和对应的温度，来从主蠕变曲线得到损伤时间trn，损伤增量dn=Δt/trn（Δt为时间增量）。失效的重复次数为1除以总的蠕变损伤。失效时间可以通过输入数据的时间长度除以总的损伤值得到。参考文献蘇树辉.前言:创新激活市场机制实现减排人人有责——写在巴黎气候大会之后[A].国际清洁能源论坛(澳门).温室气体减排与碳市场发展报告（2016）[C].国际清洁能源论坛(澳门):国际清洁能源论坛(澳门)秘书处,2016:2.朱向梅,王子莎.中国碳足迹广度空间关联格局及影响因素研究[J].调研世界,2021(05):38-48.马子明,钟海旺,谭振飞,夏清,汪洋.以配额制激励可再生能源的需求与供给国家可再生能源市场机制设计[J].电力系统自动化,2017,41(24):90-96+119.刘晓慧,夏鹏,朱清.2020年全球石油市场形势及未来走势分析[J/OL].国土资源情报:1-8[2021-05-19]./kcms/detail/11.4479.n.20210512.1524.002.html.陈楠,曲鸣飞.基于供需分析的可再生能源电力系统研究[A].香港新世纪文化出版社有限公司.2019年国际科技创新与教育发展学术会议论文集[C].香港新世纪文化出版社有限公司:香港新世纪文化出版社有限公司,2019:3.张阳.考虑间歇式能源不确定性的微电网优化调度方法研究[D].南京邮电大学,2020.周琳.基于能源结构调整的大气污染物排放控制[A].香港新世纪文化出版社有限公司.2019年国际科技创新与教育发展学术会议论文集[C].香港新世纪文化出版社有限公司:香港新世纪文化出版社有限公司,2019:2.白墨.新能源与绿色建筑应用[A].中国城市科学研究会、深圳市人民政府、中美绿色基金、中国城市科学研究会绿色建筑与节能专业委员会、中国城市科学研究会生态城市研究专业委员会.2019国际绿色建筑与建筑节能大会论文集[C].中国城市科学研究会、深圳市人民政府、中美绿色基金、中国城市科学研究会绿色建筑与节能专业委员会、中国城市科学研究会生态城市研究专业委员会:北京邦蒂会务有限公司,2019:4.李兆辉.金属氢化物反应器吸氢过程温度场实验研究[D].大连理工大学,2020.蔡昺超.金属氢化物固态储氢器的安全性研究[D].中国计量大学,2018.白云锋,张财志,蒋尚峰,周智明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