發(fā)布時(shí)間：2017-09-11 09:22

  本文關(guān)鍵詞：等離子噴涂熱障涂層沖蝕失效的量綱分析及有限元模擬

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【摘要】：熱障涂層(Thermal barrier coatings,即TBCs)技術(shù)由于能降低合金基底服役溫度、提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能與熱效率,已經(jīng)成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵熱防護(hù)技術(shù)。服役時(shí),涂層會(huì)受到燃燒室內(nèi)各種雜質(zhì)的撞擊,從而發(fā)生沖蝕失效,這已成為制約其安全應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。等離子噴涂(plasma spraying)TBCs由于含有大量孔隙、微裂紋,幾何結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜,使得其沖蝕性能的研究尤為困難。本文通過(guò)建立含隨機(jī)分布缺陷的涂層模型,結(jié)合失效形式采用相應(yīng)有限元方法模擬失效過(guò)程,并采用了量綱分析法重點(diǎn)分析了相關(guān)參數(shù)與沖蝕性能間的關(guān)系,最后建立了含均勻分布孔隙涂層的有限元模型進(jìn)行對(duì)比。本學(xué)位論文的主要研究?jī)?nèi)容如下:第一,建立含隨機(jī)分布缺陷的等離子噴涂涂層的有限元幾何模型。首先結(jié)合等離子噴涂制備工藝及陶瓷層微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其沖蝕失效現(xiàn)象進(jìn)行分析,對(duì)影響沖蝕性能的關(guān)鍵因素——層內(nèi)缺陷進(jìn)行簡(jiǎn)化;其次根據(jù)各軟件的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì),如MATLAB軟件編寫(xiě)代碼方便容易、ANSYS軟件的命令流操作非常方便、ABAQUS軟件可集中于結(jié)構(gòu)力學(xué)和相關(guān)領(lǐng)域的研究,簡(jiǎn)單快捷地建立了等離子噴涂熱障涂層的有限元幾何模型。第二,結(jié)合涂層沖蝕失效形式,采用了不同有限元法進(jìn)行模擬,并找出最佳方法。由于ABAQUS中沒(méi)有陶瓷層的本構(gòu)關(guān)系,因此需要借助其它方式模擬陶瓷層沖蝕失效,發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展有限元法(XFEM)適合模擬在粒子沖蝕作用下陶瓷層內(nèi)裂紋的擴(kuò)展,脆性斷裂準(zhǔn)則(Brittle Cracking)可用來(lái)模擬陶瓷層的破壞。結(jié)合沖蝕性能相關(guān)影響參數(shù)及制備工藝所需要的參考指標(biāo),發(fā)現(xiàn)脆性斷裂準(zhǔn)則最適合做更深入的研究。第三,通過(guò)改變陶瓷層內(nèi)的孔隙相關(guān)參數(shù),采用量綱分析法研究了孔隙對(duì)陶瓷層沖蝕性能的影響。將陶瓷層內(nèi)孔隙率、孔隙大小、孔隙分布以及沖蝕粒子的速度等相關(guān)參數(shù)無(wú)量綱化,分析了在這些參數(shù)的影響下,陶瓷層內(nèi)應(yīng)力、能量及其被沖蝕掉的質(zhì)量、產(chǎn)生的裂紋長(zhǎng)度、表面凹坑的深度等無(wú)量綱量的變化。第四,建立了含均勻分布孔隙的等離子噴涂涂層的有限元模型,與含隨機(jī)分布孔隙的涂層進(jìn)行對(duì)比。在克服了孔隙分布情況的干擾下,分析了孔隙半徑、孔隙率、孔隙間距對(duì)涂層沖蝕速率的影響。本文通過(guò)對(duì)等離子噴涂TBCs沖蝕破壞過(guò)程的有限元模擬及量綱分析,找出了相關(guān)材料參數(shù)對(duì)陶瓷層沖蝕速率、破壞程度的影響,從而為預(yù)測(cè)涂層服役壽命、改進(jìn)等離子噴涂制備工藝提高其抗沖蝕能力提供指導(dǎo)。
【關(guān)鍵詞】：等離子噴涂熱障涂層 孔隙 沖蝕 有限元模擬 量綱分析
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG174.4;V263
【目錄】：

• 摘要4-5
• abstract5-10
• 第1章 緒論10-24
• 1.1 引言10
• 1.2 熱障涂層的概述10-15
• 1.2.1 材料結(jié)構(gòu)與性能10-12
• 1.2.2 主要制備方法及其特點(diǎn)12-14
• 1.2.3 TBCs的沖蝕失效14-15
• 1.3 熱障涂層沖蝕失效的研究現(xiàn)狀15-19
• 1.3.1 實(shí)驗(yàn)研究15-16
• 1.3.2 數(shù)值模擬16-17
• 1.3.3 理論研究17-19
• 1.4 量綱分析法的運(yùn)用19-22
• 1.4.1 量綱的概念及公式19
• 1.4.2 無(wú)量綱化的意義19-20
• 1.4.3 量綱分析法的具體步驟20-22
• 1.5 本文的選題依據(jù)及研究?jī)?nèi)容22-24
• 第2章 含隨機(jī)分布孔隙的等離子噴涂涂層的幾何模型建立24-34
• 2.1 引言24-25
• 2.2 簡(jiǎn)化陶瓷層內(nèi)的缺陷25-26
• 2.3 在MATLAB中編寫(xiě)模型代碼26-28
• 2.3.1 MATLAB的發(fā)展與特點(diǎn)26-27
• 2.3.2 在MATLAB中的實(shí)現(xiàn)步驟27-28
• 2.4 運(yùn)用ANSYS的命令流中構(gòu)建孔隙28-31
• 2.4.1 有限元分析軟件ANSYS的簡(jiǎn)介28
• 2.4.2 ANSYS命令流構(gòu)建模型的步驟28-31
• 2.5 導(dǎo)入到ABAQUS中31-32
• 2.6 本章小結(jié)32-34
• 第3章 含隨機(jī)分布孔隙涂層的沖蝕過(guò)程的有限元模擬34-48
• 3.1 引言34
• 3.2 沖蝕失效模式及相關(guān)參數(shù)無(wú)量綱化34-37
• 3.2.1 等離子噴涂TBCs沖蝕失效模式的探討34-35
• 3.2.2 相關(guān)物理量及其無(wú)量綱化35-37
• 3.3 使用ABAQUS進(jìn)行模擬的一般過(guò)程37-38
• 3.4 分析材料屬性的選取對(duì)模擬結(jié)果的影響38-46
• 3.4.1 運(yùn)用線彈性本構(gòu)關(guān)系模擬陶瓷層表面形成不明顯凹坑38-41
• 3.4.2 運(yùn)用XFEM法模擬陶瓷層內(nèi)的裂紋擴(kuò)展41-45
• 3.4.3 運(yùn)用Brittle Cracking準(zhǔn)則模擬陶瓷層沖蝕破壞的現(xiàn)象45-46
• 3.5 本章小結(jié)46-48
• 第4章 無(wú)量綱參量對(duì)含隨機(jī)分布孔隙涂層沖蝕性能的影響48-59
• 4.1 引言48
• 4.2 涂層沖蝕破壞過(guò)程分析48-52
• 4.2.1 涂層破壞演變?cè)茍D48-49
• 4.2.2 系統(tǒng)能量及沖蝕粒子速度的變化49-50
• 4.2.3 涂層破壞前后相關(guān)位置的應(yīng)力變化50-52
• 4.3 陶瓷層內(nèi)孔隙大小對(duì)涂層沖蝕性能的影響52-55
• 4.3.1 陶瓷層沖蝕損傷云圖的直觀對(duì)比及分析52-54
• 4.3.2 涂層沖蝕速率隨孔隙半徑的變化54-55
• 4.4 陶瓷層內(nèi)孔隙率對(duì)涂層沖蝕性能的影響55-57
• 4.4.1 陶瓷層沖蝕損傷云圖的直觀對(duì)比及分析55-56
• 4.4.2 涂層沖蝕速率隨孔隙半徑的變化56-57
• 4.5 粒子沖蝕速度對(duì)涂層沖蝕性能的影響57
• 4.6 本章小結(jié)57-59
• 第5章 均勻分布孔隙對(duì)涂層沖蝕性能的影響59-71
• 5.1 引言59
• 5.2 孔隙大小對(duì)涂層沖蝕性能的影響59-62
• 5.2.1 陶瓷層沖蝕損傷云圖的直觀對(duì)比及分析59-61
• 5.2.2 涂層沖蝕速率、表面凹坑深度隨孔隙半徑的變化61-62
• 5.3 孔隙率對(duì)涂層沖蝕性能的影響62-65
• 5.3.1 陶瓷層沖蝕損傷云圖的直觀對(duì)比及分析62-64
• 5.3.2 涂層沖蝕速率、表面凹坑深度隨孔隙率的變化64-65
• 5.4 孔隙縱向間距對(duì)涂層沖蝕性能的影響65-68
• 5.4.1 陶瓷層沖蝕損傷云圖的直觀對(duì)比及分析65-66
• 5.4.2 涂層沖蝕速率、表面凹坑深度隨孔隙縱向間距的變化66-68
• 5.5 對(duì)比孔隙均勻分布與隨機(jī)分布對(duì)陶瓷層沖蝕速率的影響68-69
• 5.6 本章小結(jié)69-71
• 第6章 總結(jié)和展望71-73
• 6.1 總結(jié)71-72
• 6.2 展望72-73
• 參考文獻(xiàn)73-78
• 致謝78-79
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷與在校期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果79

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 郭洪波;彭立全;宮聲凱;徐惠彬;;電子束物理氣相沉積熱障涂層技術(shù)研究進(jìn)展[J];熱噴涂技術(shù);2009年02期

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本文編號(hào)：829893