金属蜂窝板参数对其传热性能的影响

采用ANSYS有限元方法模拟金属蜂窝板的传热性能,并采用控制变量法和极差分析法研究了金属蜂窝板参数对其传热性能的影响。利用Swann&Pittman经验公式对蜂窝板传热模型进行验证,并深入研究蜂窝板参数对其传热性能的影响。结果表明:公式计算结果和模拟结果十分吻合,本实验建立的模型是合理的;增加蜂窝芯边长和蜂窝芯高度会降低当量热导率,而蜂窝芯厚度、上下蒙皮厚度及内表面发射率的增加会加大当量热导率;随着施加热流密度的增加,蜂窝芯厚度和下蒙皮厚度对当量热导率的影响几乎不变,而蜂窝芯高度、蜂窝单元边长、内表面发射率及上蒙皮厚度会加大对当量热导率的影响,而且各参数对当量热导率影响大小的排序会随着施加热流密度的改变而变化。     

功能梯度板壳的力学研究进展

功能梯度材料(FGM)是一种材料组分或微观结构沿一个或几个方向连续变化的新型复合材料。FGM中基本消除了宏观界面,同时具有很好的可设计性,设计人员可以有目的地改变材料组成,以获得所期望的性能。由FGM构成的功能梯度板壳结构在许多工程领域中有着广阔的应用前景,评述了FGM板壳结构的弯曲、屈曲和后屈曲、振动和动力稳定性等力学问题研究的发展现状,阐述了常用方法和理论的优缺点,并提出了未来的发展趋势和需要研究的方向。     

一般边界条件下功能梯度梁三维振动特性研究

基于卡莱拉统一公式(CUF)建立了一般边界条件下功能梯度(FGM)梁的高阶统一动力学模型和分析方法。利用二维泰勒公式对FGM梁截面位移函数进行高阶拟合,经典梁理论可以视为一阶泰勒公式的特殊形式。采用Voigt线性混合模型分别考虑了两种功能梯度材料分布形式:材料属性仅沿宽度或厚度单一方向发生变化;材料属性同时沿宽度和厚度方向发生变化。通过罚函数法将FGM梁的边界条件量化为边界能量的形式,实现了对边界条件的参数化分析,并消除了位移容许函数对边界条件的依赖性。利用瑞利-利兹法和勒让德多项式函数对FGM梁的振动问题进行求解。通过与文献中结果对比,验证了此方法的有效性和正确性。最后,研究了几何尺寸、材料属性和边界条件对FGM梁振动特性的影响规律。     

钨铜梯度材料热震过程中显微组织及热性能

针对目前W-Cu功能梯度材料(FGM)在长期热震循环过程中的稳定性缺乏相应研究的问题,以化学镀W-10wt%Cu复合粉体和Cu粉为原料,通过叠层压制和常压气氛烧结的工艺制备了W-10wt%Cu/W-20wt%Cu/W-30wt%Cu层状梯度材料。在600℃、800℃、1000℃温度下进行热震试验,对试样在不同热震温度、热震次数下的显微组织和热学性能变化进行了研究。试验结果表明,随着热震温度升高,渗出至试样各梯度层表面的Cu逐渐增加。当热震温度达到1000℃时,试样各梯度层表面出现大量Cu聚集成片的现象,同时在W-20wt%Cu/W-30wt%Cu界面处发现了界面裂纹。随着热震次数的提高,在W-10Cu层中,Cu逐渐渗出表面并在内部留下微孔。此外,W-Cu FGM的热导率随热震次数的增加而减小,在1000℃经过200次热震后,室温热导率由200.54 W·(m·K)?1降至159.23 W·(m·K)?1,降低了20.60%。该结果揭示了热震循环中裂纹形成与显微组织变化的耦合失效机制,明确了W-Cu FGM安全服役的范围。      

基于裂纹尖端应力比值的含裂纹功能梯度材料圆筒应力强度因子计算方法

由于功能梯度材料（FGM）性质的特殊性,现有含裂纹FGM结构应力强度因子计算方法难以避免复杂的矩阵运算以及数值积分。该文针对含外表面环向裂纹FGM圆筒,利用FGM圆筒与均匀材料圆筒裂纹尖端应力之间的比例关系,将复杂的FGM圆筒应力强度因子求解问题转化为简单的应力值提取问题以及经验公式计算问题,仅由均匀材料圆筒应力强度因子经验公式、均匀材料圆筒和FGM圆筒裂纹尖端应力比值即可得到任意含裂纹FGM圆筒应力强度因子。该方法仅需建立2D轴对称模型即可满足计算要求,在保证精度的基础上成功回避了传统方法中的复杂矩阵运算以及数值积分,且适用于不同FGM、筒体尺寸、裂纹深度等情况下的应力强度因子计算。通过多组算例对比分析,证明该方法计算精度高、计算过程简便,便于工程应用。     

低温绝热管道漏热量在线测试的研究

低温绝热管道漏热量测量的热流计法就是采用热流计直接测试低温绝热管道表面的热流进而计算出管道漏热量的测量方法。采用热流计法可以实现管道漏热量的免工质更换、免拆装的在线测试,同时测试精度也可保证。另外,还建立了低温绝热管道在线漏热量测试结果的合于使用评价方法,其中对评价中的重要参数—管道夹层当量热导率进行了详细分析。     

层间压强对多层绝热性能的影响

采用毛细管间接测压法测量了多层层间的压强,对经不同处理过的高真空多层绝热材料进行了实验,测出了多层绝热结构的层间压强和对应的当量热导率,分析了处理方法对层间压强及绝热性能的影响,并计算了动态及静态时层间残余气体导热量。     

梯度功能材料物性值推定与热应力的分析

为推动梯度功能材料(FGM)的发展,本文论述了经验复合准则,微观力学的近似方法等推定物性值的一般方法,并进一步将模糊逻辑应用于FGM的物性值推定;另外,还对球形、无限长圆筒,无限大平板等形状的FGM中的热应力分布作了近似计算。     

AlN/玻璃复合材料的相分布对导热性能的影响

以热压烧结方法在850～1000℃的低温下制备了Al/玻璃复合材料,通过组成变化研究了复合材料热导率的变化规律,利用SEM、TEM、XRD等方法观察了AlN/玻璃复合材料的显微结构和相组成与分布,讨论了复合材料的显微结构和相组成对热导率的影响,结果表明:AlN/玻璃复合材料的热导率随玻璃相的减少而增加,低温烧结的复合材料的热导率可以达到10W/m·K以上,材料的相分布对热导率的影响表现为:当玻璃相减少,AlN晶粒相互接触时,有利于热导率的提高;当材料内部以AlN晶相为主时,材料出现晶体的导热特征,即热导率随温度的升高而下降。     

水下环肋功能梯度材料圆柱壳稳定性研究

研究了水下环肋功能梯度材料圆柱壳的稳定性。根据Flügge理论和正交各向异性板壳理论,采用波动法推导出静水压力下环肋FGM圆柱壳耦合振动特征方程,运用牛顿迭代法得到静水压力下环肋FGM圆柱壳的固有频率值,并通过线性拟合得到静水压力下环肋FGM圆柱壳的临界压力。通过计算对比分析,验证了方法的正确性和有效性。通过算例,分析了静水压力下环肋FGM圆柱壳在不同材料组分、体积分数、壳体尺寸、肋条尺寸和数目等情况下临界压力的变化规律。     

Evaluation of Thermophysical Properties of Functionally Graded Materials

In this work, by considering four-layered functionally graded material (FGM) specimens of Cu/Ni and PSZ/NiCrAlY, the transient characteristics and homogeneity of heat conduction media have been studied. The thermal diffusivities of the considered specimens have been measured by the laser flash method. As the temperature response curve of a FGM is very similar to that of a homogeneous material, it is difficult to distinguish a FGM from a homogeneous material by the shape of the temperature responses. Therefore, the thermal diffusivity obtained from the half-time method is usually taken as the corresponding value of the thermal diffusivity. The apparent thermal conductivity, obtained from the corresponding value of the thermal diffusivity and the average of the heat capacity of each layer, is different from the effective thermal conductivity, obtained from the sum of the heat resistances of each layer. As the values of the heat capacity of materials exist over a certain range, and the heat capacity distribution can be predicted when the materials in a FGM are known, the amount of error that will be caused when the effective thermal conductivity is replaced by the apparent value can be determined. Also, the heterogeneity of a FGM, based on an evaluation of thermophysical properties, has been discussed.Paper presented at the Seventh Asian Thermophysical Properties Conference, August 23–28, 2004, Hefei and Huangshan, Anhui,P. R. China.     

梯度复合SiC/C面向等离子体材料的制备与表征

利用粉末冶金方法,完成了SiC和C两种难烧结物质的同步烧结,制备出了SiC成分分布从0％～100％的接近理论密度的SiC/C FGM,显微观察显示材料的成分和结构是呈梯度分布的。材料将SiC的良好的耐腐蚀性和石墨的良好的抗热冲击性结合在一起,并具有较高的有效热导和良好的抗热疲劳能力,化学溅射和Tokamak原位等离子体辐照结果显示材料具有良好的耐高温等离子体冲刷性能。     

蜂窝芯体面外方向导热系数等效研究

利用商用有限元软件分析了高温阶段蜂窝芯体面外方向等效导热系数,分析结果与试验数据和半经验公式结果进行了对比,对比结果显示有限元软件可以用来预测蜂窝芯体面外方向等效导热系数。利用有限元软件分析了低温阶段蜂窝芯体面外方向等效导热系数,证明在0℃以下时辐射换热对蜂窝芯体面外方向导热系数的影响可以忽略,同时得到了铝合金蜂窝芯体在0℃以下时面外方向等效导热系数近似公式。     

基于分形理论的开孔聚氨酯泡沫等效导热系数研究

开孔聚氨酯泡沫保温材料是一种典型的多孔介质。采用分形理论描述开孔聚氨酯泡沫材料的微尺度空间结构,建立了简化单元体模型,提出了计算其有效导热系数的分形模型,并导出了气相和固相热传导计算公式、热辐射等效导热系数计算公式、材料总有效导热系数计算公式。模型计算值与实验测量值比较具有较好的一致性,同时总结了多孔介质材料绝热性能的主要影响因素。该分析方法对新型绝热材料的研制和绝热性能的提高具有实用价值。     

复合材料热传导系数均匀化计算的实现方法

均匀化理论可以有效预测周期性结构复合材料的等效热传导系数,然而其控制方程的载荷项形式特殊,通用有限元软件中没有对应的载荷形式,难以直接求解.提出一种本构关系及场变量的类比方法,证明了在此类比下等效热传导系数均匀化方程与等效弹性模量均匀化方程是等价的.根据求解等效弹性模量均匀化方程的热应变法,提出一种新的等效热传导系数均匀化方程数值求解方法.以ABAQUS为平台,预测单向纤维复合材料以及金属蜂窝夹芯板的等效热传导系数,计算结果与参考值吻合良好.该方法为基于通用有限元软件的复合材料等效热传导系数的均匀化计算提供了简便途径.     

HA-Ti生物功能梯度材料微观组织及热应力缓和特性

本文用粉末冶金法制备了ＨＡ－Ｔｉ系生物ＦＧＭ,并测定了ＨＡ－Ｔｉ复合体材料的弹性模量和热膨胀系数．应用经典叠层板理论和热弹性力学理论分析了ＨＡ－Ｔｉ系ＮＦＧＮ双层板和ＨＡ－Ｔｉ系ＦＧＭ的制备残余热应力和热应变．结果表明,ＨＡ－Ｔｉ系生物ＦＧＭ呈现出宏观不均匀性与微观连续性的组织特征．ＨＡ－Ｔｉ系复合体材料的弹性模量在Ｔｉ－ＨＡ８０达到谷值,并受到气孔率的影响．其热膨胀系数随着ＨＡ含量和测试温度的升高而增大．残余热应力和残余热应变强烈依赖于组成分布,ＦＧＭ由于组成梯度化减小了成分变化幅度,其最大残余拉应力只有ＨＡ／Ｔｉ直接叠合体（ＮＦＧＭ）的１／３,具有显著缓和热应力的功能.     

Al_2O_3-Ti系梯度功能材料残余热应力的有限元分析

采用有限元方法（ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄ）对Ａｌ２Ｏ３－Ｔｉ系梯度功能材料在制备过程中产生的残余热应力进行了线弹性分析。详细讨论了梯度层数目、梯度层厚度和成分梯度指数对应力大小和分布的影响，确定了各项最佳参数。非梯度功能材料（ＮＦＧＭ）与优化后的梯度功能材料的残余热应力对比结果显示：梯度功能材料缓和热应力的效果十分显著。     

ZrO2-Ni功能梯度材料的热冲击与热疲劳行为

通过抗热震参数分析和热循环试验研究了ZrO2-Ni功能梯度材料（FGM）的热冲击与热疲劳行为及其影响因素。结果表明,ZrO2-Ni FGM热热震参数呈梯度分布,ZrO2侧抗热冲击断裂能力强而富Ni区热疲劳抗力高。其热震破坏符合热疲劳损伤机理,裂纹的准静态扩展为其控制因素。热疲劳裂纹在梯度层内以微孔聚集、连接方式萌生和扩展,而在梯度层间无横向贯穿裂纹,克服了传统陶瓷／金属结合体的界面热应力剥离问题。     

基于耦合扩展多尺度有限元方法的功能梯度材料热应力分析

以高效模拟功能梯度材料(FGM)微观非均质性对整体热力学性能的影响为研究目的,通过随机形态描述函数(RMDF)法和体积分数的指数分布建立FGM二维微结构,在此基础上,发展了FGM热应力分析的耦合扩展多尺度有限元方法(CEMsFEM)。该方法基于扩展多尺度有限元方法(EMsFEM)的基本思想,对温度场和位移场构造数值基函数,以把微观非均质材料性质带到宏观响应中。同时为了考虑泊松效应导致的不同方向间的耦合作用,在位移场数值基函数中增加了耦合附加项。通过数值基函数建立宏微观单元信息的映射关系,在宏观尺度求解有效方程,节约计算量。为了更好地考虑微观载荷的影响,把结构的真实响应分解为宏观响应和微观扰动,进一步推导出修正的宏观载荷向量。通过不同体积分数分布的FGM在不同载荷工况下的热应力分析算例验证了本文中方法的正确性和有效性,最后讨论了微结构的尺寸效应对结构热力学响应的影响。     

固相纳米复合材料的导热系数预测

研究了分散剂和纳米颗粒对固相纳米复合材料导热系数的影响。假设纳米颗粒在纳米流体中均匀分布,构建了一个考虑纳米颗粒尺度和分散介质影响的物理分析模型;并由此利用最小热阻力法则和比等效导热系数相等法则,建立了一个固相纳米复合材料的导热系数理论模型。计算结果表明,颗粒的体积分数和导热系数、以及分散剂导热系数的增大,都会引起复合材料导热系数的增大。