State-Based peridynamics for thermomechanical modeling of fracture mechanisms in nuclear fuel pellets

颗粒 材料科学 弹丸 周动力 断裂(地质) 复合材料 核燃料 离散化 有限元法 芯(光纤) 结构工程 机械 核工程 工程类 数学 连续介质力学 物理 数学分析
作者
Qi-Qing Liu,Dan Wu,Erdogan Madenci,Yin Yu,Yile Hu
出处
期刊:Engineering Fracture Mechanics [Elsevier]
卷期号:276: 108917-108917 被引量:9
标识
DOI:10.1016/j.engfracmech.2022.108917
摘要

This study presents a coupled thermomechanical ordinary state-based peridynamic (OSB-PD) model, including the effects of randomly varying strength parameter and crack gap heat transfer, to investigate the fracture mechanisms in nuclear fuel pellets. The three-dimensional (3D) models of fuel pellets are constructed through irregular non-uniform discretization. The model includes the random variability of the critical stretch of each bond based on normal distribution. The accuracy of the OSB-PD model is validated against the FEM results for the thermomechanical behavior of a fuel pellet without damage. Subsequently, the crack propagation and crack patterns of fuel pellet are studied at different power levels (10 ∼ 40 kW/m). The results show that radial and axial cracks mainly develop during the power rise stage while the circumferential cracks develop during power down stage. These three crack types are verified by comparing with the experimental observations. The number of cracks and fragments of the fuel pellet increases with the increase in power level. Moreover, the fuel pellet can be completely separated at the mid-height cross section when the power level is equal or greater than 25 kW/m.

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