【摘要】：在現(xiàn)代高新技術(shù)工程中,許多熱傳導(dǎo)問題面臨前所未有的挑戰(zhàn),比如超導(dǎo)線圈穩(wěn)定性控制、短脈沖激光加熱以及發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室熱防護(hù)涂層等。對這類問題的研究,需要把握材料和結(jié)構(gòu)在極低溫、超高熱流以及微尺度等極端條件下的熱彈性響應(yīng)以及進(jìn)行相關(guān)的斷裂力學(xué)分析。經(jīng)典的傅里葉熱傳導(dǎo)模型預(yù)測的結(jié)果與實(shí)際結(jié)果產(chǎn)生極大的偏差。因此,基于非傅里葉熱傳導(dǎo)理論建立工程材料及結(jié)構(gòu)的熱沖擊斷裂模型是十分必要和迫切的。本文基于雙相延遲非傅里葉熱傳導(dǎo)模型對工程中常見的圓柱、板、涂層以及夾芯板等結(jié)構(gòu)在熱沖擊載荷作用下的裂紋問題進(jìn)行了分析。應(yīng)用積分變換方法和奇異積分方程方法建立了熱沖擊斷裂問題的求解模型。通過將坐標(biāo)、材料參數(shù)和計(jì)算結(jié)果無因次化,系統(tǒng)地分析了結(jié)構(gòu)的熱彈性響應(yīng)及裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子。主要研究內(nèi)容和成果包括:(1)建立了圓柱、板和多層結(jié)構(gòu)的熱沖擊斷裂問題的求解模型,從而可以更準(zhǔn)確地理解和分析這些結(jié)構(gòu)在超低溫、超高熱流以及微尺度等極端條件下的熱彈性響應(yīng)及裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子。分析了熱流延遲和溫度梯度延遲以及材料本身的幾何特征尺寸對結(jié)構(gòu)的熱彈性響應(yīng)及裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響。當(dāng)熱沖擊載荷持續(xù)時(shí)間比延遲時(shí)間高1個(gè)數(shù)量級以上時(shí),或者當(dāng)材料的幾何特征尺寸比熱傳導(dǎo)特征長度高2個(gè)數(shù)量級以上時(shí),非傅里葉效應(yīng)可以忽略不計(jì)。(2)引入涂層/基底和夾芯板等多層結(jié)構(gòu)中各組分材料相應(yīng)物理參數(shù)的比值描述結(jié)構(gòu)的組分差異,分析了結(jié)構(gòu)的組分差異對結(jié)構(gòu)的熱彈性響應(yīng)及裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響。提出了2個(gè)參數(shù)差異因子準(zhǔn)確預(yù)測結(jié)構(gòu)組分間的4個(gè)熱傳導(dǎo)參數(shù)差異對結(jié)構(gòu)的熱彈性場的耦合影響,有助于提高多層結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率。(3)建立了圓幣形裂紋在考慮質(zhì)量慣性影響的情況下熱沖擊斷裂問題的求解模型,引入熱波速度和彈性波速度的比值量化慣性項(xiàng),通過控制熱波速度和彈性波速度的比值分析了慣性效應(yīng)和非傅里葉效應(yīng)對裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的耦合作用。當(dāng)剪切波速度是熱波速度10倍以上時(shí),可以忽略質(zhì)量慣性對應(yīng)力強(qiáng)度因子峰值的影響,準(zhǔn)靜態(tài)假設(shè)適用。該結(jié)論有利于實(shí)際工程計(jì)算中兼顧精度和效率。(4)建立了壓電片在考慮質(zhì)量慣性影響的情況下熱沖擊斷裂問題的求解模型,并討論了壓電效應(yīng)對裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響。在上下裂紋面突然作用對稱熱流的情況下,質(zhì)量慣性也會(huì)顯著增強(qiáng)裂紋尖端處電位移強(qiáng)度因子的波動(dòng)性以及峰值。在僅有熱沖擊載荷作用的情況下,壓電效應(yīng)對裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子和裂紋擴(kuò)展的能量釋放率的影響可以忽略。本文的研究結(jié)論對于在超低溫和超高熱流等極端熱環(huán)境中工作的熱防護(hù)材料和結(jié)構(gòu)以及壓電材料制造的電子元器件的設(shè)計(jì)和安全使用具有參考價(jià)值。
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文程中的非常規(guī)熱傳導(dǎo)現(xiàn)象，比如強(qiáng)瞬態(tài)熱沖擊作用下的熱傳導(dǎo)。熱沖擊問題比較突出的工程領(lǐng)域之一就是航空發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)�，F(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)來越高的飛行速度，對發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求也越來越高。一方面要提高率，一方面要提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃效比。這就使得發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的燃?xì)鉁�，先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)鉁囟纫呀?jīng)高達(dá) 2000 K。為了保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)在極件下安全有效地工作，近 30 年來熱障涂層技術(shù)得到了快速發(fā)展并已經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)熱防護(hù)[11,12]。如圖 1-1 所示，厚度僅在微米級的陶瓷層通過黏合金屬氧化物）涂覆在金屬基底上構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面的熱障涂層。由耐高溫且導(dǎo)熱系數(shù)低的特點(diǎn)，葉片表面的陶瓷層對金屬基底起到隔熱的陶瓷涂層在高速循環(huán)的高溫燃?xì)夂屠鋮s氣模作用下面臨極大的熱沖擊風(fēng)

Q表步 d溫溫度出度人s。脈者Qiu 等人[3]隨表面電子氣步模型的精dual-phase-q 溫度梯度延溫度梯度相度內(nèi)對熱傳出來的物理度梯度相對人[3]的實(shí)驗(yàn)結(jié)。然后 Tzou脈沖照射下者吻合非常隨后通過實(shí)氣的瞬態(tài)溫度精確性。受此-lag model）( , )qx t 延遲時(shí)間。相延遲從宏觀傳導(dǎo)的影響理相，而不是對于熱能輸運(yùn)結(jié)果，，計(jì)算u 用雙相延遲下金箔表面電常好（見圖實(shí)驗(yàn)測量了度，微觀兩此啟發(fā)，T），一般也簡c k T ( x, 觀的角度分。需要說明是熱能輸運(yùn)運(yùn)過程本身出了金的熱遲模型和擬電子氣的瞬1-2），從而20nm 厚金兩步模型預(yù)測Tzou[10,22]從簡稱 DPL 模)Tt 分別描述了明的是，熱運(yùn)的本質(zhì)。這身的延遲[23]熱流延遲和擬合出的相延瞬態(tài)溫度，并而驗(yàn)證了雙相金箔在持續(xù)測值和實(shí)驗(yàn)宏觀角度提模型，其熱介質(zhì)微觀結(jié)流和溫度梯這里 Tzou 所。Tzou[24]用和溫度梯度延延遲時(shí)間預(yù)并與 Brorson相延遲模型1驗(yàn)結(jié)提流結(jié)梯所用延預(yù)n型
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O346.1;O551.3

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

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本文編號：2595687