考虑真实微观结构APS-TBCs冲蚀失效的有限元模拟

发布时间：2017-09-16 16:27

  本文关键词：考虑真实微观结构APS-TBCs冲蚀失效的有限元模拟

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【摘要】：凭借着热障涂层在涡轮叶片上的使用,飞机发动机作为飞机的心脏能更好得为飞机提供源源不断的能量,使得飞机能更快,更安全的进行飞行。而飞机在作战服役时,时常要穿梭于各种恶劣的环境,经常要加速减速,在这种环境中使得热障涂层会产生各种各样的失效。其中冲蚀失效就是一种典型的失效形式,全世界各地学者围绕其在各方面进行了深刻的研究。而在数值模拟的模型建立方面,研究者通常不会考虑到涂层本身所携带的微孔洞与裂纹,这样并不能完全正确的解释冲蚀失效的过程。本文将跳出传统建模手段,立足于热障涂层的微观结构,建立带有真实微观孔洞、裂纹的冲蚀模型,进而探讨冲蚀中相关因素对热障涂层的影响。主要研究内容如下:第一,字图像处理技术与相关CAD软件,建立带有真实微观结构的APS-TBCs冲蚀模型。材料参数参考文献中所给,结合ABAQUS帮助手册及相关文件确定其破坏准则为Brittle Cracking破坏准则。分别建立了二维单颗粒冲蚀、三维实体冲蚀、二维多颗粒冲蚀模型。第二,通过改变冲蚀参数,如颗粒速度、颗粒粒度以及冲蚀角度来研究单颗粒冲蚀下不同冲蚀条件下冲蚀对热障涂层的影响。通过模拟发现,带有真实微观孔洞的冲蚀模型与不带微观孔洞的冲蚀模型在计算结果上有很大的不同。计算后发现:在改变速度后,发现其冲蚀率与速度成一种线性关系,改变粒度大小发现,热障涂层中的内能会随着粒度的变大而先增加后减少,说明有一个临界点,随着冲蚀角的增加,冲蚀率越来越大,在90°时达到最大值,而随着冲蚀角的增加,冲蚀率与角度之间的斜率越来越小,越接近90°,越平稳。第三,对二维冲蚀模型进行扩展分析,分别对三维实体冲蚀、二维多颗粒冲蚀模型进行模拟。在对三维模型的计算分析中发现改变粒度大小会改变最大残余应力在径向的分布情况,颗粒越大最大应力出现位置越靠下。在研究当冲蚀流垂直于TC层时发现其内能的变化随着速度增加呈现一种先增加后减少的趋势,说明冲蚀速度有一个临界值,到达此临界值材料就会以使自身破裂的形式来释放多余能量以此来达到平衡。在对平行于TC层的9颗粒冲蚀模拟中可以清楚地看到裂纹产生、扩展、相连再到涂层剥落的整个过程,此模型直接表现了涂层受到冲蚀后最经典的破坏形式,在受压过程中并不会产生太多的裂纹,而在冲击力卸载的过程中,TC层才会产生极大的拉应力将陶瓷层拉裂,从而导致涂层发生破坏。
【关键词】：热障涂层 冲蚀 有限元 数字图象处理 真实微观结构
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V263
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-19
• 1.1 引言9-10
• 1.2 热障涂层的发展及其研究现状10-14
• 1.2.1 热障涂层简介10-11
• 1.2.2 热障涂层的制备工艺与组织结构11-12
• 1.2.3 热障涂层的主要失效形式12-14
• 1.3 热障涂层冲蚀破坏的研究方法与研究现状14-17
• 1.3.1 热障涂层冲蚀理论研究现状14-15
• 1.3.2 热障涂层冲蚀实验研究现状15-17
• 1.3.3 热障涂层冲蚀数值模拟研究现状17
• 1.4 本文选题依据和主要内容17-19
• 第二章 考虑真实微观结构APS-TBCs的冲蚀模型的建立19-35
• 2.1 考虑热障涂层真实微观结构冲蚀靶体的建立19-25
• 2.1.1 真实微观结构轮廓提取的方法19-22
• 2.1.2 APS-TBCs真实微观结构冲蚀靶体的生成过程22-25
• 2.2 带有真实微观结构冲蚀模型的生成25-31
• 2.2.1 基于真实微观结构APS-TBCs的单颗粒有限元冲蚀模型26-29
• 2.2.2 选择材料属性及损伤准则29-30
• 2.2.3 改变冲蚀参数，设置对比模拟30-31
• 2.3 建立多种形式的冲蚀模型31-33
• 2.4 本章小结33-35
• 第三章 有限元中冲蚀参数对APS-TBCs冲蚀性能的影响35-49
• 3.1 引言35
• 3.2 冲蚀速度对冲蚀性能的影响35-40
• 3.2.1 冲蚀速度与冲蚀磨损率36-38
• 3.2.2 冲蚀速度对陶瓷层中应力场分布的影响38-40
• 3.3 冲蚀颗粒半径对冲蚀性能的影响40-42
• 3.3.1 颗粒粒度对冲蚀率的影响40-41
• 3.3.2 颗粒粒度对冲蚀响应区以及能量的影响41-42
• 3.4 冲蚀角度对冲蚀性能的影响42-46
• 3.5 本章小结46-49
• 第四章 三维及多颗粒冲蚀对冲蚀性能的影响49-59
• 4.1 热障涂层冲蚀失效的三维有限元模拟49-52
• 4.2 热障涂层冲蚀失效的二维多颗粒有限元模拟52-56
• 4.2.1 纵向多颗粒冲蚀模型52-54
• 4.2.2 横向多颗粒冲蚀模型54-56
• 4.3 本章小结56-59
• 第五章 总结与展望59-63
• 5.1 全文总结59-60
• 5.2 工作展望60-63
• 参考文献63-67
• 致谢67-68
• 个人简历与在校期间发表的学术论文与研究成果68

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 于海涛;宋希文;牟仁德;;电子束物理气相沉积YSZ热障涂层热循环性能[J];航空发动机;2010年06期

2 徐维普,徐滨士,张伟,王维国,杜令忠;高速电弧喷涂Fe-Al/Cr_3C_2复合涂层的组织与性能[J];金属热处理;2004年05期

3 郭洪波;宫声凯;徐惠彬;;先进航空发动机热障涂层技术研究进展[J];中国材料进展;2009年Z2期

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1 孙彦华;压气机常用马氏体不锈钢冲蚀及盐雾—冲蚀性能研究[D];哈尔滨工程大学;2010年

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本文编号：864144