基于裂纹张开位移法（COD）的热障涂层系统失效过程有限元模拟分析

发布时间：2017-10-10 05:23

  本文关键词：基于裂纹张开位移法（COD）的热障涂层系统失效过程有限元模拟分析

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【摘要】：热障涂层系统(TBCs)是一种应用于金属表面的先进材料,由于其具备良好的耐热性、抗氧化性和防腐蚀性,被应用于燃气轮机或航空发动机的部件上。热障涂层系统一般由四部分组成:顶部陶瓷层、热生长氧化物层(TGO)、金属基体和陶瓷层之间的黏合层(BC),以及金属基体层。TGO在高温氧化阶段的形成过程关系到其生长应变、屈服强度、蠕变效应等诸多力学性质,与此同时,形成TGO的过程中还会产生数量级非常大的生长应力,而这也正是造成热障涂层材料断裂失效的最根本原因。本文首先通过实验研究,探究热障涂层在高温热循环下的位移不稳定性及TGO裂纹情况。通过实验,我们获取到TGO厚度与氧化时间的关系,得到了每个循环增加的TGO厚度,观察到了TGO内部的裂纹情况,测量出了高温下金属基体和TGO的应力-应变关系,测得了部分材料属性的参数,并且探讨了钇的含量对实验产生的影响,这些都为进行TGO内部裂纹扩展的数值模拟奠定了良好的基础。紧接着,本文利用ABAQUS软件的用户材料(User Material)子程序UMAT开发了一种新的数值模拟方法来仿真TGO在高温循环氧化下的位移不稳定性。有限元模型采用的是TGO厚度较小(小于1μm)的Karlsson经典模型,针对较小厚度的TGO,Karllson的工作结果被视为研究热障涂层在热循环氧化下位移不稳定性的经典,并将此结果与本文研究成果作对比。结果表明本文研究成果与Karlsson的成果具有很好的吻合度,验证了该新型数值模拟仿真方案的正确性和有效性,为后续进行热循环氧化过程中的TGO内部裂纹扩展有限元仿真奠定了良好的基础。最后在模拟TGO生成的同时,本文用到了COD(裂纹张开位移法)来模拟TGO内部裂纹扩展。结果表明,实验与有限元仿真中的最终TGO变形简图具有很好的吻合度,这就验证了有限元仿真的精确性,可以在将来热障涂层系统优化设计的过程中,指导预测TGO的断裂失效。
【关键词】：热障涂层系统 TGO UMAT 数值模拟 裂纹张开位移法 裂纹扩展
【学位授予单位】：重庆理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-21
• 1.1 引言9-10
• 1.2 热障涂层系统的发展现状10-12
• 1.2.1 热障涂层系统10-11
• 1.2.2 热障涂层材料的制备方法11-12
• 1.3 热障涂层材料的失效机理及国内外研究现状12-16
• 1.3.1 热障涂层的破坏机理12-13
• 1.3.2 热障涂层系统失效机理国内外研究现状13-16
• 1.4 ABAQUS软件的INP建模及二次开发16-18
• 1.4.1 ABAQUS软件INP文件介绍16-17
• 1.4.2 ABAQUS的二次开发平台17
• 1.4.3 ABAQUS的二次开发语言17-18
• 1.5 本文的研究目的及内容18-21
• 第二章 热障涂层位移不稳定性及TGO断裂实验研究21-29
• 2.1 实验样品的选取21
• 2.2 实验装置的选取21-22
• 2.3 实验条件的设置22-23
• 2.4 实验结果23-27
• 2.4.1 热生长氧化物的生成厚度23-24
• 2.4.2 TGO的位移不稳定性及裂纹的观察24-26
• 2.4.3 金属基体及TGO的应力-应变关系26-27
• 2.4.4 部分材料属性参数的获取27
• 2.5 本章小结27-29
• 第三章 热-力循环载荷下热障涂层系统TGO动态生成数值模拟29-41
• 3.1 有限元模拟方案29
• 3.2 传统工作中的数值仿真方案29-30
• 3.3 建立热障涂层系统有限元模型30-33
• 3.3.1 有限元模型概况30
• 3.3.2 INP文件建模过程30-32
• 3.3.3 边界条件32
• 3.3.4 载荷施加情况32-33
• 3.4 基于UMAT的数值模拟方案33-37
• 3.4.1 TGO生长机理33-34
• 3.4.2 基于UMAT编程的实现34
• 3.4.3 子程序有效性验证34-37
• 3.5 结果与讨论37-40
• 3.6 本章小结40-41
• 第四章 基于COD法的热障涂层裂纹扩展数值模拟41-57
• 4.1 裂纹张开位移法（COD）理论41-43
• 4.1.1 COD定义及COD判据41-42
• 4.1.2 COD判据的工程应用42-43
• 4.2 TGO裂纹扩展有限元模型建立43-44
• 4.3 边界条件44-45
• 4.4 材料属性45
• 4.5 TGO生长过程数值模拟45-46
• 4.6 裂纹扩展策略选择46-48
• 4.7 TGO裂纹的网格处理方式48-50
• 4.8 结果与讨论50-56
• 4.8.1 确定裂纹扩展开始的时间50-51
• 4.8.2 多个循环周期下的TGO生长和裂纹扩展51-53
• 4.8.3 24 个热-力循环周期后的裂纹扩展53-56
• 4.9 本章小结56-57
• 第五章 总结57-59
• 致谢59-61
• 参考文献61-65
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果65

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4 李美Y，

本文编号：1004580