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

提高炉衬寿命是降低耐火材料消耗的重要途径，数值模拟是研究如何提高其寿命的有效手段。然而，耐火材料的微观非均质性所产生的复杂非线性力学行为和损伤形式，使得传统数值模拟技术和强度评价方法难以适用，成为制约该项技术推广应用的主要瓶颈。本项目以炉衬结构为研究对象，以耐火材料非线性力学行为和损伤的定量描述为突破口，从材料损伤的微观机理- - 显微结构与外载荷的相互作用入手，运用细观力学建模与实验技术表征相结合的方法，建立耐火材料的细观损伤力学模型，定量描述耐火材料的非线性力学行为和损伤演化过程。将模型嵌入到有限元软件中，利用细观损伤力学模型的双尺度特性，综合材料宏观和微观两个尺度上的信息，实现炉衬结构的多尺度模拟，预测耐火材料炉衬的损伤破坏形式，解决该类结构强度分析中缺乏适用于耐火材料本构关系和强度准则的难题，为高温炉衬结构的设计和强度评价提供理论依据，对研究如何提高炉衬结构使用寿命具有重要意义。

耐火材料炉衬结构广泛用于冶金、建材、化工等行业的高温容器件中。数值模拟是研究如何提高炉衬结构寿命、降低耐火材料消耗的重要手段。然而，耐火材料的微观非均质性所产生的复杂非线性力学行为和损伤形式，使得传统数值模拟技术和强度评价方法难以适用，成为制约该项技术推广应用的主要瓶颈。本项目提出了一种耐火材料炉衬结构的多尺度模拟方法。该方法以炉衬结构为研究对象，以耐火材料非线性力学行为和损伤的定量描述为突破口，从材料损伤的微观机理——显微结构与外载荷的相互作用入手，运用细观力学建模与实验技术表征相结合的方法，建立耐火材料的细观损伤力学模型，定量描述耐火材料的非线性力学行为和损伤演化过程。将模型嵌入到有限元软件中，利用细观损伤力学模型的双尺度特性，综合材料宏观和微观两个尺度上的信息，实现炉衬结构的多尺度模拟，预测耐火材料炉衬的损伤破坏形式，解决了该类结构强度分析中缺乏适用于耐火材料本构关系和强度准则的难题。本项目在耐火材料宏观非线性力学行为的细观力学建模和微损伤的实验表征技术方面取得了一些有意义的成果。提出了一种基于多尺度广义自洽模型的耐火材料损伤过程的模拟方法；提出了基于界面相模型的耐火材料损伤演化过程的细观力学表征方法；建立了耐火材料受载状态下的微损伤模型，实现了材料非线性力学行为的定量描述；研究了耐火材料受载损伤过程的声发射特性，在声发射信号聚类的基础上，提出了不同微损伤类型的声发射信号的特征提取方法，实现了材料微损伤的模式识别；开发了耐火材料损伤本构模型，实现了炉衬结构的多尺度模拟。. 本项目的研究成果可以为高温炉衬结构的设计和强度评价提供理论依据，对提高炉衬结构使用寿命具有重要意义。部分研究成果还可为耐火材料的微观结构设计和性能评价提供借鉴。