等离子喷涂热障涂层冲蚀失效的量纲分析及有限元模拟

发布时间：2017-09-11 09:22

  本文关键词：等离子喷涂热障涂层冲蚀失效的量纲分析及有限元模拟

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【摘要】：热障涂层(Thermal barrier coatings,即TBCs)技术由于能降低合金基底服役温度、提高发动机性能与热效率,已经成为航空发动机的关键热防护技术。服役时,涂层会受到燃烧室内各种杂质的撞击,从而发生冲蚀失效,这已成为制约其安全应用的关键问题。等离子喷涂(plasma spraying)TBCs由于含有大量孔隙、微裂纹,几何结构极其复杂,使得其冲蚀性能的研究尤为困难。本文通过建立含随机分布缺陷的涂层模型,结合失效形式采用相应有限元方法模拟失效过程,并采用了量纲分析法重点分析了相关参数与冲蚀性能间的关系,最后建立了含均匀分布孔隙涂层的有限元模型进行对比。本学位论文的主要研究内容如下:第一,建立含随机分布缺陷的等离子喷涂涂层的有限元几何模型。首先结合等离子喷涂制备工艺及陶瓷层微观结构对其冲蚀失效现象进行分析,对影响冲蚀性能的关键因素——层内缺陷进行简化;其次根据各软件的特点及优势,如MATLAB软件编写代码方便容易、ANSYS软件的命令流操作非常方便、ABAQUS软件可集中于结构力学和相关领域的研究,简单快捷地建立了等离子喷涂热障涂层的有限元几何模型。第二,结合涂层冲蚀失效形式,采用了不同有限元法进行模拟,并找出最佳方法。由于ABAQUS中没有陶瓷层的本构关系,因此需要借助其它方式模拟陶瓷层冲蚀失效,发现扩展有限元法(XFEM)适合模拟在粒子冲蚀作用下陶瓷层内裂纹的扩展,脆性断裂准则(Brittle Cracking)可用来模拟陶瓷层的破坏。结合冲蚀性能相关影响参数及制备工艺所需要的参考指标,发现脆性断裂准则最适合做更深入的研究。第三,通过改变陶瓷层内的孔隙相关参数,采用量纲分析法研究了孔隙对陶瓷层冲蚀性能的影响。将陶瓷层内孔隙率、孔隙大小、孔隙分布以及冲蚀粒子的速度等相关参数无量纲化,分析了在这些参数的影响下,陶瓷层内应力、能量及其被冲蚀掉的质量、产生的裂纹长度、表面凹坑的深度等无量纲量的变化。第四,建立了含均匀分布孔隙的等离子喷涂涂层的有限元模型,与含随机分布孔隙的涂层进行对比。在克服了孔隙分布情况的干扰下,分析了孔隙半径、孔隙率、孔隙间距对涂层冲蚀速率的影响。本文通过对等离子喷涂TBCs冲蚀破坏过程的有限元模拟及量纲分析,找出了相关材料参数对陶瓷层冲蚀速率、破坏程度的影响,从而为预测涂层服役寿命、改进等离子喷涂制备工艺提高其抗冲蚀能力提供指导。
【关键词】：等离子喷涂热障涂层 孔隙 冲蚀 有限元模拟 量纲分析
【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】：TG174.4;V263
【目录】：

• 摘要4-5
• abstract5-10
• 第1章 绪论10-24
• 1.1 引言10
• 1.2 热障涂层的概述10-15
• 1.2.1 材料结构与性能10-12
• 1.2.2 主要制备方法及其特点12-14
• 1.2.3 TBCs的冲蚀失效14-15
• 1.3 热障涂层冲蚀失效的研究现状15-19
• 1.3.1 实验研究15-16
• 1.3.2 数值模拟16-17
• 1.3.3 理论研究17-19
• 1.4 量纲分析法的运用19-22
• 1.4.1 量纲的概念及公式19
• 1.4.2 无量纲化的意义19-20
• 1.4.3 量纲分析法的具体步骤20-22
• 1.5 本文的选题依据及研究内容22-24
• 第2章 含随机分布孔隙的等离子喷涂涂层的几何模型建立24-34
• 2.1 引言24-25
• 2.2 简化陶瓷层内的缺陷25-26
• 2.3 在MATLAB中编写模型代码26-28
• 2.3.1 MATLAB的发展与特点26-27
• 2.3.2 在MATLAB中的实现步骤27-28
• 2.4 运用ANSYS的命令流中构建孔隙28-31
• 2.4.1 有限元分析软件ANSYS的简介28
• 2.4.2 ANSYS命令流构建模型的步骤28-31
• 2.5 导入到ABAQUS中31-32
• 2.6 本章小结32-34
• 第3章 含随机分布孔隙涂层的冲蚀过程的有限元模拟34-48
• 3.1 引言34
• 3.2 冲蚀失效模式及相关参数无量纲化34-37
• 3.2.1 等离子喷涂TBCs冲蚀失效模式的探讨34-35
• 3.2.2 相关物理量及其无量纲化35-37
• 3.3 使用ABAQUS进行模拟的一般过程37-38
• 3.4 分析材料属性的选取对模拟结果的影响38-46
• 3.4.1 运用线弹性本构关系模拟陶瓷层表面形成不明显凹坑38-41
• 3.4.2 运用XFEM法模拟陶瓷层内的裂纹扩展41-45
• 3.4.3 运用Brittle Cracking准则模拟陶瓷层冲蚀破坏的现象45-46
• 3.5 本章小结46-48
• 第4章 无量纲参量对含随机分布孔隙涂层冲蚀性能的影响48-59
• 4.1 引言48
• 4.2 涂层冲蚀破坏过程分析48-52
• 4.2.1 涂层破坏演变云图48-49
• 4.2.2 系统能量及冲蚀粒子速度的变化49-50
• 4.2.3 涂层破坏前后相关位置的应力变化50-52
• 4.3 陶瓷层内孔隙大小对涂层冲蚀性能的影响52-55
• 4.3.1 陶瓷层冲蚀损伤云图的直观对比及分析52-54
• 4.3.2 涂层冲蚀速率随孔隙半径的变化54-55
• 4.4 陶瓷层内孔隙率对涂层冲蚀性能的影响55-57
• 4.4.1 陶瓷层冲蚀损伤云图的直观对比及分析55-56
• 4.4.2 涂层冲蚀速率随孔隙半径的变化56-57
• 4.5 粒子冲蚀速度对涂层冲蚀性能的影响57
• 4.6 本章小结57-59
• 第5章 均匀分布孔隙对涂层冲蚀性能的影响59-71
• 5.1 引言59
• 5.2 孔隙大小对涂层冲蚀性能的影响59-62
• 5.2.1 陶瓷层冲蚀损伤云图的直观对比及分析59-61
• 5.2.2 涂层冲蚀速率、表面凹坑深度随孔隙半径的变化61-62
• 5.3 孔隙率对涂层冲蚀性能的影响62-65
• 5.3.1 陶瓷层冲蚀损伤云图的直观对比及分析62-64
• 5.3.2 涂层冲蚀速率、表面凹坑深度随孔隙率的变化64-65
• 5.4 孔隙纵向间距对涂层冲蚀性能的影响65-68
• 5.4.1 陶瓷层冲蚀损伤云图的直观对比及分析65-66
• 5.4.2 涂层冲蚀速率、表面凹坑深度随孔隙纵向间距的变化66-68
• 5.5 对比孔隙均匀分布与随机分布对陶瓷层冲蚀速率的影响68-69
• 5.6 本章小结69-71
• 第6章 总结和展望71-73
• 6.1 总结71-72
• 6.2 展望72-73
• 参考文献73-78
• 致谢78-79
• 个人简历与在校期间发表的学术论文与研究成果79

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 郭洪波;彭立全;宫声凯;徐惠彬;;电子束物理气相沉积热障涂层技术研究进展[J];热喷涂技术;2009年02期

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本文编号：829893