本文關(guān)鍵詞：考慮真實(shí)微觀結(jié)構(gòu)APS-TBCs沖蝕失效的有限元模擬

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【摘要】：憑借著熱障涂層在渦輪葉片上的使用,飛機(jī)發(fā)動機(jī)作為飛機(jī)的心臟能更好得為飛機(jī)提供源源不斷的能量,使得飛機(jī)能更快,更安全的進(jìn)行飛行。而飛機(jī)在作戰(zhàn)服役時,時常要穿梭于各種惡劣的環(huán)境,經(jīng)常要加速減速,在這種環(huán)境中使得熱障涂層會產(chǎn)生各種各樣的失效。其中沖蝕失效就是一種典型的失效形式,全世界各地學(xué)者圍繞其在各方面進(jìn)行了深刻的研究。而在數(shù)值模擬的模型建立方面,研究者通常不會考慮到涂層本身所攜帶的微孔洞與裂紋,這樣并不能完全正確的解釋沖蝕失效的過程。本文將跳出傳統(tǒng)建模手段,立足于熱障涂層的微觀結(jié)構(gòu),建立帶有真實(shí)微觀孔洞、裂紋的沖蝕模型,進(jìn)而探討沖蝕中相關(guān)因素對熱障涂層的影響。主要研究內(nèi)容如下:第一,字圖像處理技術(shù)與相關(guān)CAD軟件,建立帶有真實(shí)微觀結(jié)構(gòu)的APS-TBCs沖蝕模型。材料參數(shù)參考文獻(xiàn)中所給,結(jié)合ABAQUS幫助手冊及相關(guān)文件確定其破壞準(zhǔn)則為Brittle Cracking破壞準(zhǔn)則。分別建立了二維單顆粒沖蝕、三維實(shí)體沖蝕、二維多顆粒沖蝕模型。第二,通過改變沖蝕參數(shù),如顆粒速度、顆粒粒度以及沖蝕角度來研究單顆粒沖蝕下不同沖蝕條件下沖蝕對熱障涂層的影響。通過模擬發(fā)現(xiàn),帶有真實(shí)微觀孔洞的沖蝕模型與不帶微觀孔洞的沖蝕模型在計算結(jié)果上有很大的不同。計算后發(fā)現(xiàn):在改變速度后,發(fā)現(xiàn)其沖蝕率與速度成一種線性關(guān)系,改變粒度大小發(fā)現(xiàn),熱障涂層中的內(nèi)能會隨著粒度的變大而先增加后減少,說明有一個臨界點(diǎn),隨著沖蝕角的增加,沖蝕率越來越大,在90°時達(dá)到最大值,而隨著沖蝕角的增加,沖蝕率與角度之間的斜率越來越小,越接近90°,越平穩(wěn)。第三,對二維沖蝕模型進(jìn)行擴(kuò)展分析,分別對三維實(shí)體沖蝕、二維多顆粒沖蝕模型進(jìn)行模擬。在對三維模型的計算分析中發(fā)現(xiàn)改變粒度大小會改變最大殘余應(yīng)力在徑向的分布情況,顆粒越大最大應(yīng)力出現(xiàn)位置越靠下。在研究當(dāng)沖蝕流垂直于TC層時發(fā)現(xiàn)其內(nèi)能的變化隨著速度增加呈現(xiàn)一種先增加后減少的趨勢,說明沖蝕速度有一個臨界值,到達(dá)此臨界值材料就會以使自身破裂的形式來釋放多余能量以此來達(dá)到平衡。在對平行于TC層的9顆粒沖蝕模擬中可以清楚地看到裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展、相連再到涂層剝落的整個過程,此模型直接表現(xiàn)了涂層受到?jīng)_蝕后最經(jīng)典的破壞形式,在受壓過程中并不會產(chǎn)生太多的裂紋,而在沖擊力卸載的過程中,TC層才會產(chǎn)生極大的拉應(yīng)力將陶瓷層拉裂,從而導(dǎo)致涂層發(fā)生破壞。
【關(guān)鍵詞】：熱障涂層 沖蝕 有限元 數(shù)字圖象處理 真實(shí)微觀結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V263
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 緒論9-19
• 1.1 引言9-10
• 1.2 熱障涂層的發(fā)展及其研究現(xiàn)狀10-14
• 1.2.1 熱障涂層簡介10-11
• 1.2.2 熱障涂層的制備工藝與組織結(jié)構(gòu)11-12
• 1.2.3 熱障涂層的主要失效形式12-14
• 1.3 熱障涂層沖蝕破壞的研究方法與研究現(xiàn)狀14-17
• 1.3.1 熱障涂層沖蝕理論研究現(xiàn)狀14-15
• 1.3.2 熱障涂層沖蝕實(shí)驗研究現(xiàn)狀15-17
• 1.3.3 熱障涂層沖蝕數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀17
• 1.4 本文選題依據(jù)和主要內(nèi)容17-19
• 第二章 考慮真實(shí)微觀結(jié)構(gòu)APS-TBCs的沖蝕模型的建立19-35
• 2.1 考慮熱障涂層真實(shí)微觀結(jié)構(gòu)沖蝕靶體的建立19-25
• 2.1.1 真實(shí)微觀結(jié)構(gòu)輪廓提取的方法19-22
• 2.1.2 APS-TBCs真實(shí)微觀結(jié)構(gòu)沖蝕靶體的生成過程22-25
• 2.2 帶有真實(shí)微觀結(jié)構(gòu)沖蝕模型的生成25-31
• 2.2.1 基于真實(shí)微觀結(jié)構(gòu)APS-TBCs的單顆粒有限元沖蝕模型26-29
• 2.2.2 選擇材料屬性及損傷準(zhǔn)則29-30
• 2.2.3 改變沖蝕參數(shù)，設(shè)置對比模擬30-31
• 2.3 建立多種形式的沖蝕模型31-33
• 2.4 本章小結(jié)33-35
• 第三章 有限元中沖蝕參數(shù)對APS-TBCs沖蝕性能的影響35-49
• 3.1 引言35
• 3.2 沖蝕速度對沖蝕性能的影響35-40
• 3.2.1 沖蝕速度與沖蝕磨損率36-38
• 3.2.2 沖蝕速度對陶瓷層中應(yīng)力場分布的影響38-40
• 3.3 沖蝕顆粒半徑對沖蝕性能的影響40-42
• 3.3.1 顆粒粒度對沖蝕率的影響40-41
• 3.3.2 顆粒粒度對沖蝕響應(yīng)區(qū)以及能量的影響41-42
• 3.4 沖蝕角度對沖蝕性能的影響42-46
• 3.5 本章小結(jié)46-49
• 第四章 三維及多顆粒沖蝕對沖蝕性能的影響49-59
• 4.1 熱障涂層沖蝕失效的三維有限元模擬49-52
• 4.2 熱障涂層沖蝕失效的二維多顆粒有限元模擬52-56
• 4.2.1 縱向多顆粒沖蝕模型52-54
• 4.2.2 橫向多顆粒沖蝕模型54-56
• 4.3 本章小結(jié)56-59
• 第五章 總結(jié)與展望59-63
• 5.1 全文總結(jié)59-60
• 5.2 工作展望60-63
• 參考文獻(xiàn)63-67
• 致謝67-68
• 個人簡歷與在校期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果68

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：864144