本文關(guān)鍵詞：基于裂紋張開(kāi)位移法（COD）的熱障涂層系統(tǒng)失效過(guò)程有限元模擬分析

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【摘要】：熱障涂層系統(tǒng)(TBCs)是一種應(yīng)用于金屬表面的先進(jìn)材料,由于其具備良好的耐熱性、抗氧化性和防腐蝕性,被應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)或航空發(fā)動(dòng)機(jī)的部件上。熱障涂層系統(tǒng)一般由四部分組成:頂部陶瓷層、熱生長(zhǎng)氧化物層(TGO)、金屬基體和陶瓷層之間的黏合層(BC),以及金屬基體層。TGO在高溫氧化階段的形成過(guò)程關(guān)系到其生長(zhǎng)應(yīng)變、屈服強(qiáng)度、蠕變效應(yīng)等諸多力學(xué)性質(zhì),與此同時(shí),形成TGO的過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生數(shù)量級(jí)非常大的生長(zhǎng)應(yīng)力,而這也正是造成熱障涂層材料斷裂失效的最根本原因。本文首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究,探究熱障涂層在高溫?zé)嵫h(huán)下的位移不穩(wěn)定性及TGO裂紋情況。通過(guò)實(shí)驗(yàn),我們獲取到TGO厚度與氧化時(shí)間的關(guān)系,得到了每個(gè)循環(huán)增加的TGO厚度,觀察到了TGO內(nèi)部的裂紋情況,測(cè)量出了高溫下金屬基體和TGO的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,測(cè)得了部分材料屬性的參數(shù),并且探討了釔的含量對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的影響,這些都為進(jìn)行TGO內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的數(shù)值模擬奠定了良好的基礎(chǔ)。緊接著,本文利用ABAQUS軟件的用戶材料(User Material)子程序UMAT開(kāi)發(fā)了一種新的數(shù)值模擬方法來(lái)仿真TGO在高溫循環(huán)氧化下的位移不穩(wěn)定性。有限元模型采用的是TGO厚度較小(小于1μm)的Karlsson經(jīng)典模型,針對(duì)較小厚度的TGO,Karllson的工作結(jié)果被視為研究熱障涂層在熱循環(huán)氧化下位移不穩(wěn)定性的經(jīng)典,并將此結(jié)果與本文研究成果作對(duì)比。結(jié)果表明本文研究成果與Karlsson的成果具有很好的吻合度,驗(yàn)證了該新型數(shù)值模擬仿真方案的正確性和有效性,為后續(xù)進(jìn)行熱循環(huán)氧化過(guò)程中的TGO內(nèi)部裂紋擴(kuò)展有限元仿真奠定了良好的基礎(chǔ)。最后在模擬TGO生成的同時(shí),本文用到了COD(裂紋張開(kāi)位移法)來(lái)模擬TGO內(nèi)部裂紋擴(kuò)展。結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)與有限元仿真中的最終TGO變形簡(jiǎn)圖具有很好的吻合度,這就驗(yàn)證了有限元仿真的精確性,可以在將來(lái)熱障涂層系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中,指導(dǎo)預(yù)測(cè)TGO的斷裂失效。
【關(guān)鍵詞】：熱障涂層系統(tǒng) TGO UMAT 數(shù)值模擬 裂紋張開(kāi)位移法 裂紋擴(kuò)展
【學(xué)位授予單位】：重慶理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG174.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 緒論9-21
• 1.1 引言9-10
• 1.2 熱障涂層系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀10-12
• 1.2.1 熱障涂層系統(tǒng)10-11
• 1.2.2 熱障涂層材料的制備方法11-12
• 1.3 熱障涂層材料的失效機(jī)理及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-16
• 1.3.1 熱障涂層的破壞機(jī)理12-13
• 1.3.2 熱障涂層系統(tǒng)失效機(jī)理國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-16
• 1.4 ABAQUS軟件的INP建模及二次開(kāi)發(fā)16-18
• 1.4.1 ABAQUS軟件INP文件介紹16-17
• 1.4.2 ABAQUS的二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)17
• 1.4.3 ABAQUS的二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言17-18
• 1.5 本文的研究目的及內(nèi)容18-21
• 第二章 熱障涂層位移不穩(wěn)定性及TGO斷裂實(shí)驗(yàn)研究21-29
• 2.1 實(shí)驗(yàn)樣品的選取21
• 2.2 實(shí)驗(yàn)裝置的選取21-22
• 2.3 實(shí)驗(yàn)條件的設(shè)置22-23
• 2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果23-27
• 2.4.1 熱生長(zhǎng)氧化物的生成厚度23-24
• 2.4.2 TGO的位移不穩(wěn)定性及裂紋的觀察24-26
• 2.4.3 金屬基體及TGO的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系26-27
• 2.4.4 部分材料屬性參數(shù)的獲取27
• 2.5 本章小結(jié)27-29
• 第三章 熱-力循環(huán)載荷下熱障涂層系統(tǒng)TGO動(dòng)態(tài)生成數(shù)值模擬29-41
• 3.1 有限元模擬方案29
• 3.2 傳統(tǒng)工作中的數(shù)值仿真方案29-30
• 3.3 建立熱障涂層系統(tǒng)有限元模型30-33
• 3.3.1 有限元模型概況30
• 3.3.2 INP文件建模過(guò)程30-32
• 3.3.3 邊界條件32
• 3.3.4 載荷施加情況32-33
• 3.4 基于UMAT的數(shù)值模擬方案33-37
• 3.4.1 TGO生長(zhǎng)機(jī)理33-34
• 3.4.2 基于UMAT編程的實(shí)現(xiàn)34
• 3.4.3 子程序有效性驗(yàn)證34-37
• 3.5 結(jié)果與討論37-40
• 3.6 本章小結(jié)40-41
• 第四章 基于COD法的熱障涂層裂紋擴(kuò)展數(shù)值模擬41-57
• 4.1 裂紋張開(kāi)位移法（COD）理論41-43
• 4.1.1 COD定義及COD判據(jù)41-42
• 4.1.2 COD判據(jù)的工程應(yīng)用42-43
• 4.2 TGO裂紋擴(kuò)展有限元模型建立43-44
• 4.3 邊界條件44-45
• 4.4 材料屬性45
• 4.5 TGO生長(zhǎng)過(guò)程數(shù)值模擬45-46
• 4.6 裂紋擴(kuò)展策略選擇46-48
• 4.7 TGO裂紋的網(wǎng)格處理方式48-50
• 4.8 結(jié)果與討論50-56
• 4.8.1 確定裂紋擴(kuò)展開(kāi)始的時(shí)間50-51
• 4.8.2 多個(gè)循環(huán)周期下的TGO生長(zhǎng)和裂紋擴(kuò)展51-53
• 4.8.3 24 個(gè)熱-力循環(huán)周期后的裂紋擴(kuò)展53-56
• 4.9 本章小結(jié)56-57
• 第五章 總結(jié)57-59
• 致謝59-61
• 參考文獻(xiàn)61-65
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及取得的研究成果65

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1 王利強(qiáng) ,閻殿然 ,何繼寧 ,宋向陽(yáng);熱障涂層研究狀況及進(jìn)展[J];新技術(shù)新工藝;2002年03期

2 謝冬柏,王福會(huì);熱障涂層研究的歷史與現(xiàn)狀[J];材料導(dǎo)報(bào);2002年03期

3 劉志;周洪;;熱障涂層研究進(jìn)展[J];河海大學(xué)常州分校學(xué)報(bào);2006年03期

4 李美Y，

本文編號(hào)：1004580