电穿透组件中的热机械耦合：结合嵌入式光纤布拉格光栅（FBG）应变监测技术的残余应变分析

《Optics & Laser Technology》：Thermo-mechanical coupling in electrical penetration assembly: residual strain analysis with embedded FBG strain monitoring

GTM密封的残余应力形成机制与三维实时监测研究揭示热膨胀失配系数（Δα）需控制在8.46–12.73×10?6 K?1区间以实现稳定压应力，过量或不足均导致密封失效，并开发出融合界面应力耦合、有限元建模与FBG阵列的监测体系。

　　

孙一正|曾伟明|沈恒伟|姚同宇|严贺|陈玉山|陈文|刘静|范志春

集美大学海洋信息工程学院，中国厦门361021

摘要

玻璃-金属（GTM）密封件在核电站的电穿透组件（EPAs）中至关重要，其长期密封性能依赖于热膨胀失配（Δα）产生的残余应力。然而，传统模型无法捕捉到导致密封失效的热机械相互作用和不均匀的残余应力场，这使得精确预测和监测成为一大挑战。本研究结合了界面剪切-正应力耦合、有限元建模和嵌入式光纤布拉格光栅阵列的热机械分析框架，实现了制造和服务过程中的实时三维应变监测。结果表明，可控的正Δα（8.46–12.73 × 10^?6 K^?1）可产生稳定的压缩应力，而负Δα或不足的Δα会导致裂纹或密封性能下降。此外，热循环实验揭示了玻璃的残余应力逐渐松弛和结构稳定化。这些发现为提高核电站EPAs的密封可靠性提供了实用指导，并为其他高温热机械结构提供了一种可转移的方法。

引言

电穿透组件（EPAs）是连接反应堆压力边界内外部的关键部件[1]，必须在高温、辐射和热循环等恶劣工作条件下保持优异的密封性能[2]。玻璃-金属（GTM）结构通常用于EPAs中，利用材料之间的热膨胀系数（CTEs）差异产生的残余应力（RS）来确保密封完整性[3]、[4]、[5]。然而，在热循环载荷和机械应力的共同作用下，复杂的RS会形成应力集中等复杂应变场，尤其是在某些区域产生拉应力，这会加速玻璃内部疲劳裂纹的萌生和扩展[6]，最终导致EPAs密封失效[7]。因此，理解和监测热膨胀失配（Δα）与残余应变之间的耦合关系至关重要，因为它影响结构可靠性的形成机制和演变模式。解决这一问题对于实现核科学和工程中的延长使用寿命至关重要。

历史上，对GTM密封结构的理论研究依赖于经典的热弹性理论和高度理想化的分析模型[8]、[9]。尽管这些简化方法有助于初步分析，但它们无法准确捕捉复杂的材料相互作用和真实密封件中的非对称边界条件。因此，这些早期模型的预测能力一直有限。

有人提出扩展薄壳理论来分析太阳能集热管密封件中的残余应力。这种方法比经典模型有所进步[10]，但仅适用于空心薄壁结构，对于核电站EPAs等玻璃密封件的应力预测存在显著偏差。最近，在2021年，研究人员转向微观结构视角，强调粘弹性松弛和晶体相变在RS演变中的作用[11]。然而，对于工程应用而言，仍然需要能够结合实际几何形状和边界条件的分析方法，以实现快速预测和设计指导。有限元分析（FEA）已成为主流计算工具[12]，能够高精度地再现应力分布。然而，它依赖于经验输入数据，这限制了其预测可靠性。特别是，FEA通常忽略了CTE对热历史的强烈依赖性以及内部应力状态——这些因素直接影响RS的产生和重新分布。因此，准确模拟现实世界的密封条件仍然具有挑战性。尽管有这些进展，但目前仍没有分析框架能够将宏观RS解与GTM的CTE所代表的热机械失配明确联系起来。解决这一差距对于推进GTM密封件的预测设计和可靠性评估至关重要。

虽然这些理论模型面临挑战，但监测GTM密封件应变演变的方法仍然不完善。目前，应变主要通过X射线衍射（XRD）[13]、[14]、超声方法[15]、[16]、光致发光光谱（PS）[3]、[17]或光纤传感器[18]、[19]进行评估。研究人员经常采用XRD结合逐层去除技术（如电抛光、机械研磨等）进行测量[20]。然而，这些方法在去除过程中会破坏原始应力平衡，导致实际测量应力出现偏差。超声方法是一种非辐射、无损检测技术[21]、[22]，通过分析样品中超声波传播速度的变化或时间差来推导应变[23]。然而，该方法的空间分辨率较低，在核电站等高温应用环境中存在某些限制。PS技术可以在EPAs内部进行高灵敏度和准确的应力测量[24]。然而，该方法无法实现实时应力监测。

光纤布拉格光栅（FBG）传感技术已被证明是内部应变监测的强大工具[25]、[26]。FBG传感器将应变引起的波长变化编码到反射光谱中[27]、[28]、[29]，实现高灵敏度、实时和空间分布的局部应变测量[30]、[31]。与其他应变监测方法相比，FBG具有抗电磁干扰[32]和耐高温[33]的优点，并且可以在制造或组装过程中直接嵌入材料中[33]、[34]、[35]，从而实现内部应变的真实原位监测[36]。除了传统的结构健康监测外，最近的进展还将FBG功能扩展到公里级光机械传感、热历史记录和复杂材料界面处的高分辨率光热光谱调制[37]、[38]、[39]。这些进展突显了基于FBG的传感平台的多功能性和稳健性，支持其在材料残余应变等苛刻场景中的应用。使用FBG应变测量确定了制造周期结束时复合材料中的RS[40]；使用嵌入在高双折射侧孔椭圆芯中的FBG监测了复合材料中的RS[41]。最近的研究还探索了FBG嵌入方法，用于捕获先进复合材料和柔性压力传感器中的残余应变[36]。在我们之前的工作中，FBG成功嵌入玻璃的关键位置，以捕获由热失配引起的局部残余应变[42]、[43]。然而，GTM中三维应变的实时原位监测仍是当前研究未探索的领域。

为解决这些研究空白，需要将先进的传感技术与全面的理论建模相结合。在本研究中：

(1)

建立了一个考虑界面剪切-正应力耦合效应的应力预测模型，准确描述了热膨胀-应力相互作用机制。

(2)

设计了具有不同GTM材料组合的EPA样品，并通过热机械分析（TMA）系统确定了不同金属外壳和密封玻璃的CTEs及其温度依赖性。

(3)

使用不同长度的光栅以交错排列的方式，部署了分布式嵌入式FBG阵列，用于在密封过程中高分辨率实时监测玻璃内的三维应变场。系统研究了Δα对RS分布的影响模式。

本研究不仅阐明了GTM密封件中残余应力形成的机制，还提供了定量的Δα匹配标准和寿命预测见解，为核电站EPAs和其他高温密封结构（如太阳能集热管、航空航天电子封装、真空穿透组件和各种工业设备中的压力边界穿透）的可靠设计提供了实用指导。

部分摘录

样品制备

为了研究Δα对RS分布的影响，准备了代表实际EPA配置的GTM样品，在其中嵌入了飞秒激光直写光纤布拉格光栅（fs-FBG）作为原位应变传感器。详细的嵌入布局如图1(a)所示。本研究选择了两种不同的玻璃和三种不同的金属外壳。具体材料规格见表1。圆柱形预制件是通过冷压玻璃制备的

EPA固化过程中的三维应变检测：模型和FBG验证

FBG传感器沿轴向和径向嵌入玻璃中，以揭示GTM密封过程中内部残余应变的演变特性。每个固化实验在相同条件下重复10次，以确保结果的可重复性。传感器在底部0 mm、8 mm、15 mm和20 mm处轴向定位，径向位于样品中心0 mm、5 mm和10 mm位置。

结论

本研究通过结合热机械耦合建模和嵌入式FBG原位监测，解决了核电站EPAs中GTM的RS问题，并系统研究了残余应变的形成机制和演变模式。得出以下结论：

1.

通过合理控制Δα范围，可以实现稳定的残余压缩应力状态。当Δα > 0且位于8.46–12.73 × 10^?6 K^?1区间内时，会产生适度的压缩应力

CRediT作者贡献声明

孙一正：写作——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，方法论。曾伟明：验证。沈恒伟：可视化。姚同宇：软件。严贺：写作——审稿与编辑，监督。陈玉山：监督，软件。陈文：验证，监督。刘静：监督。范志春：写作——审稿与编辑，监督，资源获取。

资助

本工作得到了集美大学科学基金（ZQ2021053）、教育部光电医学科学技术重点实验室开放项目计划和福建省光子技术重点实验室（NO.JYG2410）以及福建省自然科学基金（2025J01354）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。