基于非傅里叶热传导理论的热冲击断裂力学分析

发布时间：2020-03-22 21:58

【摘要】：在现代高新技术工程中,许多热传导问题面临前所未有的挑战,比如超导线圈稳定性控制、短脉冲激光加热以及发动机燃烧室热防护涂层等。对这类问题的研究,需要把握材料和结构在极低温、超高热流以及微尺度等极端条件下的热弹性响应以及进行相关的断裂力学分析。经典的傅里叶热传导模型预测的结果与实际结果产生极大的偏差。因此,基于非傅里叶热传导理论建立工程材料及结构的热冲击断裂模型是十分必要和迫切的。本文基于双相延迟非傅里叶热传导模型对工程中常见的圆柱、板、涂层以及夹芯板等结构在热冲击载荷作用下的裂纹问题进行了分析。应用积分变换方法和奇异积分方程方法建立了热冲击断裂问题的求解模型。通过将坐标、材料参数和计算结果无因次化,系统地分析了结构的热弹性响应及裂纹尖端应力强度因子。主要研究内容和成果包括:(1)建立了圆柱、板和多层结构的热冲击断裂问题的求解模型,从而可以更准确地理解和分析这些结构在超低温、超高热流以及微尺度等极端条件下的热弹性响应及裂纹尖端应力强度因子。分析了热流延迟和温度梯度延迟以及材料本身的几何特征尺寸对结构的热弹性响应及裂纹尖端应力强度因子的影响。当热冲击载荷持续时间比延迟时间高1个数量级以上时,或者当材料的几何特征尺寸比热传导特征长度高2个数量级以上时,非傅里叶效应可以忽略不计。(2)引入涂层/基底和夹芯板等多层结构中各组分材料相应物理参数的比值描述结构的组分差异,分析了结构的组分差异对结构的热弹性响应及裂纹尖端应力强度因子的影响。提出了2个参数差异因子准确预测结构组分间的4个热传导参数差异对结构的热弹性场的耦合影响,有助于提高多层结构优化设计的效率。(3)建立了圆币形裂纹在考虑质量惯性影响的情况下热冲击断裂问题的求解模型,引入热波速度和弹性波速度的比值量化惯性项,通过控制热波速度和弹性波速度的比值分析了惯性效应和非傅里叶效应对裂纹尖端应力强度因子的耦合作用。当剪切波速度是热波速度10倍以上时,可以忽略质量惯性对应力强度因子峰值的影响,准静态假设适用。该结论有利于实际工程计算中兼顾精度和效率。(4)建立了压电片在考虑质量惯性影响的情况下热冲击断裂问题的求解模型,并讨论了压电效应对裂纹尖端应力强度因子的影响。在上下裂纹面突然作用对称热流的情况下,质量惯性也会显著增强裂纹尖端处电位移强度因子的波动性以及峰值。在仅有热冲击载荷作用的情况下,压电效应对裂纹尖端应力强度因子和裂纹扩展的能量释放率的影响可以忽略。本文的研究结论对于在超低温和超高热流等极端热环境中工作的热防护材料和结构以及压电材料制造的电子元器件的设计和安全使用具有参考价值。
【图文】：

涡轮发动机叶片,热障涂层,图像

哈尔滨工业大学工学博士学位论文程中的非常规热传导现象，比如强瞬态热冲击作用下的热传导。热冲击问题比较突出的工程领域之一就是航空发动机工业。现代战机来越高的飞行速度，对发动机的性能要求也越来越高。一方面要提高率，一方面要提高发动机燃效比。这就使得发动机燃烧室内的燃气温，先进航空发动机的燃气温度已经高达 2000 K。为了保护发动机在极件下安全有效地工作，近 30 年来热障涂层技术得到了快速发展并已经发动机热防护[11,12]。如图 1-1 所示，厚度仅在微米级的陶瓷层通过黏合金属氧化物）涂覆在金属基底上构成发动机叶片表面的热障涂层。由耐高温且导热系数低的特点，叶片表面的陶瓷层对金属基底起到隔热的陶瓷涂层在高速循环的高温燃气和冷却气模作用下面临极大的热冲击风

金箔,飞秒激光,光照射,下表面

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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O346.1;O551.3

【参考文献】