功能梯度材料压力容器热力耦合应力分析

发布时间：2017-05-28 22:05

  本文关键词：功能梯度材料压力容器热力耦合应力分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：功能梯度材料(Functionally Graded Material, FGM)是21世纪最具前景的新型材料之一,呈现出优良的防热、耐腐蚀和可设计性。功能梯度材料压力容器是一种根据实际情况需要而设计成为一种材料呈梯度分布、复合而成的轴对称旋转型壳体结构,内、外层用来抵抗腐蚀或隔热,而且根据内外层结构不同的受力变形程度,设计成不同材料制造,从而起到降低成本,减轻结构重量的功能。目前,FGM压力容器结构热力耦合力学行为分析成为国内外研究难点和热点。为了跟踪这些研究热点,本文在前人研究工作的基础上开展了以下几方面的研究工作。 (1)仅考虑在内压载荷作用下,基于小应变线弹性理论和变系数微分方程欧拉法,推导了材料组分沿壁厚呈指数变化的功能梯度材料压力容器筒体和半球形封头三向应力的解析解,并基于有限元数值方法,验证了理论推导的准确性。结合具体案例,分别绘制出壳体各向应力的理论解与数值解沿径向厚度的关系曲线,并比较分析了弹性模量梯度因子对结构应力分布影响。 (2)由于FGM能够很好的缓解热应力,为此,本文还考虑了在温度载荷作用下FGM压力容器三向应力分布特性。首先通过建立功能梯度材料温度分布函数模型,然后推导了功能梯度材料压力容器筒体和半球形封头三向热应力解析解,最后基于有限元数值方法验证了理论推导公式的准确性。同时,根据线性叠加原理,给出了FGM压力容器在内压和温度同时作用下的三向应力计算式,并讨论了弹性模量梯度因子、热膨胀系数梯度因子和热导率梯度因子对FGM压力容器三向应力分布的影响。 (3)考虑到FGM高昂的制造成本和涂层技术的日趋成熟,本文还研究了嵌入功能梯度材料的“三明治”结构复合材料(三层结构,中间为功能梯度材料,两侧为单一金属材料)压力容器的三向应力分布特性,同样基于有限元数值法验证了理论推导的准确性,并详细讨论了该“三明治”材料结构在内压和温度作用下应力分布特性。
【关键词】：压力容器 功能梯度材料 热力耦合 有限元 应力分析
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH49;TB34
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-21
• 1.1 引言10-11
• 1.2 功能梯度材料简介11-13
• 1.3 功能梯度材料薄壳结构及压力容器力学行为研究现状13-18
• 1.3.1 内压载荷下功能梯度材料壳体应力分析13-14
• 1.3.2 温度载荷下功能梯度材料壳体应力分析14-15
• 1.3.3 功能梯度材料壳体结构屈曲行为分析15-16
• 1.3.4 功能梯度材料壳体高温蠕变及疲劳断裂研究16-17
• 1.3.5 功能梯度材料压力容器结构设计方法研究17-18
• 1.4 含功能梯度材料的“三明治”结构应力分析进展18-19
• 1.5 课题提出与研究内容19-21
• 2 功能梯度材料压力容器在内压作用下的应力分析21-36
• 2.1 功能梯度材料物性参数模型21-22
• 2.2 功能梯度材料压力容器筒体在内压下的应力推导22-27
• 2.2.1 基本方程23-24
• 2.2.2 求解方法24-25
• 2.2.3 边界条件25-26
• 2.2.4 轴向应变求解26-27
• 2.2.5 三向应力计算式27
• 2.3 功能梯度材料压力容器半球形封头在内压下的应力推导27-29
• 2.3.1 基本方程27-28
• 2.3.2 求解方法28-29
• 2.3.3 三向应力计算式29
• 2.4 结果验证29-35
• 2.4.1 有限元建模29-30
• 2.4.2 结果分析与讨论30-33
• 2.4.3 单性模量梯度因子对三向应力分布影响33-35
• 2.5 本章小结35-36
• 3 功能梯度材料压力容器在温度载荷下的应力分析36-63
• 3.1 功能梯度材料热物性参数与温度分布模型36-38
• 3.2 FGM压力容器筒体在温度载荷下的热应力推导38-41
• 3.2.1 基本方程38-39
• 3.2.2 边界条件39
• 3.2.3 轴向应变39-40
• 3.2.4 三向应力计算式40-41
• 3.3 FGM压力容器半球形封头在温度载荷下的热应力推导41-43
• 3.3.1 基本方程41-42
• 3.3.2 求解方法42
• 3.3.3 三向应力计算式42-43
• 3.4 FGM压力容器在热力耦合下的应力分析43-45
• 3.4.1 线形叠加原理43-44
• 3.4.2 FGM压力容器热应力与机械应力叠加44-45
• 3.5 结果验证与讨论45-62
• 3.5.1 筒体热应力结果分析45-47
• 3.5.2 半球形封头热应力结果分析47-48
• 3.5.3 热力耦合条件下的结果验证48-50
• 3.5.4 梯度因子对应力分布曲线的影响50-62
• 3.6 本章小结62-63
• 4 功能梯度材料“三明治”结构压力容器筒体的应力分析63-81
• 4.1 含功能梯度材料的“三明治”结构复合材料63-64
• 4.2 “三明治”材料各层物性参数与界面温度模型64-66
• 4.2.1 各层物性参数表达式64-65
• 4.2.2 层层界面温度计算模型65-66
• 4.3 “三明治”结构压力容器筒体的三向应力推导66-74
• 4.3.1 “三明治”结构压力容器筒体在内压下的应力推导66-70
• 4.3.2 “三明治”结构压力容器筒体在温度载荷下的应力分析70-74
• 4.3.3 “三明治”结构压力容器筒体在热力耦合下的应力推导74
• 4.4 结果分析74-79
• 4.4.1 仅考虑内压的筒体应力结果74-76
• 4.4.2 仅考虑温度载荷的筒体应力计算结果76-78
• 4.4.3 同时考虑内压和温度的筒体应力计算结果78-79
• 4.5 本章小结79-81
• 5 结论与展望81-83
• 5.1 研究工作总结81-82
• 5.2 研究展望82-83
• 参考文献83-88
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况88-89
• 致谢89-90

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 李婷;仲政;聂国隽;;一种特殊梯度分布的功能梯度圆柱壳的二维分析[J];力学季刊;2007年04期

2 陈警英;物理学中的叠加原理[J];云南教育学院学报;1994年02期

3 黎培德;试论叠加原理[J];湘潭大学自然科学学报;1993年02期

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本文编号：403534