烟气轮机叶片高温合金材料冲蚀磨损行为的数值模拟

针对烟气轮机叶片在固体催化剂颗粒下冲蚀磨损引起疲劳破坏的工程问题,运用有限元软件ANSYS/LSDYNA建立高温合金材料单颗粒冲蚀力学模型,进行了三维显示冲击动力学计算及冲蚀机理分析;研究了相同颗粒尺寸下不同冲蚀速度对靶材的冲蚀规律,及同一冲蚀速度时不同尺寸颗粒的冲蚀效果。结果表明,随着冲蚀速度增大,等效塑性应变值逐渐增大,颗粒对靶材的冲蚀深度和材料失效区体积也逐渐增加,当应变累积到一定程度时,材料发生冲蚀破坏。同一冲蚀速度下,最大等效应力和等效塑性应变幅值随颗粒增大逐渐增加,靶体材料被挤压的凹坑压痕逐渐加深,四周形成唇片;靶体表层的材料失效区发生横向和径向扩展。当应力值超过材料的屈服极限时就会产生裂纹,发生冲蚀破坏。     

超音速火焰喷涂镍基涂层颗粒沉积特性的数值模拟

目的 考虑后续不同粒径颗粒随机冲击的影响,探索热喷涂涂层颗粒的沉积特性。方法 利用ABAQUS建立颗粒与基底冲击模型,通过颗粒冲击的凹坑深度和应力分布进行网格收敛性研究。通过实验验证模型的可行性。随后,应用验证模型研究颗粒以不同入射角和速度冲击基底时的沉积特性,以及4个颗粒重叠冲击基底及多颗粒随机冲击基底表面时的沉积特性。结果 在颗粒入射角从15°增至60°时,颗粒更好地附着于基底表面;当颗粒速度从350 m/s增至500 m/s时发生了溅射现象,可能造成绝热剪切失稳现象,形成有效结合;在4个颗粒冲击基底时,第2个颗粒对第1个颗粒及基底的影响都最明显;当多颗粒随机冲击基底时,在后续颗粒的冲击和沉积作用下,填充颗粒的形状不规则,同时第1层颗粒可能与基底形成机械咬合。结论 在超音速火焰喷涂时应当倾斜一定角度,同时提升颗粒速度,这对制备涂层更有利;在颗粒重叠冲击时,后续颗粒增大了第1个颗粒的压缩效果,且更深入地嵌入不锈钢基底,这有利于颗粒与颗粒之间的后续黏结;当多颗粒随机冲击基底时,在第1层沉积颗粒与基底之间,以及涂层内相邻颗粒之间均观察到高塑性应变,表明涂层出现黏结,同时后期沉积的颗粒未完整压缩变形。     

不同入射角弹丸强化残余应力场的数值模拟

目的通过建立有限元模型模拟研究弹丸入射角度对残余应力场和强化效果的影响。方法采用ABAQUS软件建立了单粒弹丸强化靶体的三维对称模型,对单个弹丸喷丸强化进行了数值模拟,模拟了50、75、100 m/s三种不同速度下,弹丸垂直入射作用在靶体上所产生的残余压应力场,以及30°、60°和90°三种不同入射角度下靶体上产生的残余应力场。结果不同速度下弹丸垂直入射作用在靶体上所产生的残余压应力场的模拟结果显示,随着弹丸速度的增加,靶材次表层的最大残余压应力以及压应力层深度增加。不同入射角度下靶体上产生的残余应力场深度和大小变化不相同,入射角为90°(垂直入射)时,所产生的残余压应力最大,入射角为60°时次之,入射角为30°时最小。结论模拟结果与实验结果的残余压应力最大值和曲线的变化趋势基本一致,吻合程度较高,说明所建的有限元模型可靠。在相同速度下,随着入射角度不断变大,所产生的最大残余压应力也不断增加,在垂直入射时达到最大值。     

基于有限元的20#钢冲蚀磨损行为模拟

目的研究固体颗粒对油气井管柱或地面油气输送管道材料的冲蚀磨损规律。方法通过对石英砂颗粒形状特征抽提了颗粒模型,采用有限元方法模拟了其对20~#钢的冲击磨损动力学行为。在不同冲击角度、不同颗粒粒径和不同冲击速度的条件下,分析材料表面冲击破坏应力特征和材料堆积形态。结果在给定的参数条件下,随着冲击角度的增大,最大等效应力先上升后下降,在40°时达到最大值1370 MPa。高角度冲蚀时,表现为凿坑和塑性挤出;低角度冲蚀时,以微切削和犁沟形唇为主,在冲蚀坑两侧及前端有材料堆积,冲蚀坑前端的变形唇高度逐渐增加,在40°时达到最大值0.019 85 mm。随着冲击速度的增大,最大等效应力单调增大,冲击坑深度变化不大,但冲击粒子前端的堆积材料明显增多,变形唇片高度增大。当粒径小于0.15 mm时,最大等效应力随粒径的增加而增大,粒径为0.15 mm时达到最大值1410 MPa。当粒径超过0.15 mm时,最大等效应力随粒径的增加而减小。随粒径的增加,冲蚀坑深度缓慢增加,粒子前端的变形唇片高度明显增加。结论采用有限元方法对石英砂冲击20~#钢的动力学行为进行了成功的模拟,获得了冲击角度、冲击速度以及颗粒粒径的变化对20~#钢冲击过程中应力分布、冲蚀形貌变化的影响规律。     

高压隔膜泵单向阀阀隙流场的冲蚀磨损特性分析

目的 探究高压隔膜泵单向阀阀隙流场冲蚀磨损产生的原因及主要影响因素。方法 基于固液两相流基本理论和冲蚀模型,考虑颗粒保护效应及磨蚀效应,采用计算流体力学(CFD)方法模拟单向阀阀隙流场的冲蚀磨损行为,探究矿粉颗粒体积分数、颗粒粒径、单向阀半锥角、胶垫突出高度等参数对单向阀冲蚀磨损特性的影响。结果 矿粉颗粒紧贴阀芯壁面的剪切运动是造成阀芯发生冲蚀磨损失效的主要原因。当矿粉的体积分数由0.1增大到0.5时,由冲蚀造成的最大冲蚀磨损速率随之减小,由磨蚀造成的平均冲蚀磨损速率随之增大。当矿粉粒径为0.025~0.048 mm时,随着矿粉粒径的增大,平均冲蚀磨损速率随之增大。当矿粉粒径超过0.048 mm时,平均冲蚀磨损速率逐渐减小。当单向阀半锥角由30°增大到45°时,阀隙流场的最大流速由12.23 m/s减小至9.19 m/s,矿粉颗粒对阀芯壁面的最大冲蚀磨损速率减小了41.16%。阀隙流场的最大流速和冲蚀磨损速率随着胶垫突出高度h的增大而增大,同时位置也发生了相应变化。结论 矿粉颗粒体积分数的增加会加重粒子对阀芯壁面的损伤程度,随着粒径的增加,泵阀的最大冲蚀磨损速率先增大后减小,增大半锥角可以缓解颗粒对壁面的冲蚀磨损,增大胶垫突出高度会导致冲蚀磨损区域逐渐向胶垫突出位置集中。     

冲击角度对SiC/钢基表面复合材料冲蚀磨损性能的影响

采用负压铸渗工艺制备SiC／钢基表面复合材料，研究不同冲击角度对其冲蚀磨损性能的影响及其冲蚀磨损机理。结果表明，复合材料的冲蚀磨损率随冲击角α的增大先增大后减小，60°时最大；SiC／钢基表面复合材料的相对耐冲蚀性在45°时最大，为Q235钢的3．82倍。随着冲击角度的变化，切削作用和冲击作用对基体的支撑效应和颗粒对基体的阴影效应产生很大的影响，从而影响复合材料的冲蚀磨损性能。     

不同冲蚀角度对ZTA结构陶瓷冲蚀磨损性能的影响

以冲蚀磨损工况典型应用材料Cr15Mo3高铬铸铁为对比材料,研究了不同冲蚀角度(0°,30°,45°,60°和90°)对氧化锆增韧氧化铝(ZTA)抗冲蚀磨损性能的影响,分析了试验材料冲蚀磨损微观失效机制.结果表明相同冲蚀角度条件下,ZTA陶瓷的抗冲蚀性能约是Cr15Mo3的6倍～8倍;冲蚀角度对试验材料冲蚀磨损体积损失的影响规律是一条类似"N"形曲线,2个拐点分别处于45°和60°,90°冲蚀角度时试验材料的冲蚀磨损体积损失最大;微观失效形貌分析表明,随着冲蚀角度的增大,因冲击引起的对材料表面损伤作用增加,水平方向的切削磨损作用减小;冲蚀角度为45°时,由于材料表面受到一定的切削破坏和冲击磨损共同促进作用,致使试验材料冲蚀磨损体积损失达到极大值,Cr15Mo3材料的基体出现许多微裂纹和碳化物剥落,因裂纹扩展导致出现长裂纹,ZTA陶瓷由于大量的晶界粘界相流失,也造成晶体颗粒脱落.冲蚀角度为90°时,垂直冲击对材料失效起主要作用,因而2种材料的冲蚀磨损失效最严重.     

高温高压条件下流速对X70钢CO2冲刷腐蚀行为的影响

目的 研究X70管线钢在高温高压CO2饱和溶液中不同流速下的冲刷腐蚀行为。方法 通过流体动力学模拟的方法,获得不同喷射流速下壁面切应力的变化规律。采用喷射冲击试验装置,利用扫描电镜、表面形貌测试仪、维氏硬度仪等设备和失重测量方法,分析喷射速度对X70管线钢CO2冲刷腐蚀行为的影响。结果 随着喷射流速Uexit的增大,试样表面的壁面切应力和壁面压应力逐渐增大。随距喷射中心距离(径向距离)的增大,壁面切应力先增大后减小,壁面压应力急剧减小。在低流速(Uexit≤10 m/s)情况下,最大壁面切应力所对应的特征攻角大约为23°;当流速Uexit≥20 m/s时,特征攻角迅速增至45°左右,且变化很小。试样表面形貌表现出明显的三个区域:停滞区、过渡区、壁面喷射区,且在低流速下,三个区域划分更为明显。在20 m/s喷射速度下,壁面切应力呈现中心轴对称变化,为“M”形状,试样表面的冲蚀轮廓(冲蚀深度)呈现中心对称的“W”形状变化,大约在距中心滞点4 mm左右,即最大壁面切应力附近出现最大冲蚀深度,约55 μm。试样表面硬度随径向距离的增大而减小,中心停滞区硬度高达340HV10。喷射流速从10 m/s增加到40 m/s时,冲蚀速率由11.86 mm/a增加到32.97 mm/a。结论 X70管线钢的典型形貌特征与喷射流体的壁面切应力大小和CO2腐蚀有关,最大壁面切应力处产生的冲蚀最为严重,冲蚀速率(Rcorr)与喷射流体的流速呈现线性关系,即Rcorr=4.861+0.714×Uexit。     

清水与非牛顿胍胶溶液中磨料射流冲蚀行为对比

目的 分析磨料射流在清水和非牛顿胍胶溶液中颗粒运动特性的差异,揭示非牛顿流体中磨料射流颗粒在近壁面的冲蚀行为,为在非牛顿流体中建立磨料射流冲蚀模型提供依据.方法 运用计算流体动力学(CFD)的方法,研究射流过程中清水和胍胶溶液的流场特性,分析流场对高速淹没射流过程中磨料颗粒运动特性的影响,包括撞击壁面的数目、速度和角度的区别.结合喷射式冲蚀实验,将实验结果与不同冲蚀模型预测的结果进行对比,优选出最佳预测模型.结果 胍胶溶液的近壁面(150μm)湍流动能高于清水,流速小于清水.在近壁面处的高剪切速率区,由于胍胶溶液的剪切稀释性,导致近壁面黏度下降到3.54 mPa·s,而在远离射流冲击中心的区域,最大黏度值可达25.4 mPa·s.在射流冲击中心区域,与清水相比,胍胶溶液中颗粒撞击靶材壁面的数目更少,撞击速度与撞击角度更小.将DNV、Oka和E/CRC Zhang模型的冲蚀预测结果与颗粒在胍胶溶液中的冲蚀实验结果进行了比较,发现DNV模型对冲蚀的预测不足,Oka和E/CRC Zhang模型预测值超过了实验值,而E/CRC Zhang模型的预测结果与实验值最为接近.结论 流体的剪切稀释非牛顿流变性会对射流过程中颗粒的运动产生影响,从而使材料表面出现不同的冲蚀形貌.通过对比不同冲蚀模型的预测值,发现在所涉及的实验工况以及所选择的冲蚀模型范围内,E/CRC Zhang模型是目前研究非牛顿胍胶溶液中固体颗粒冲蚀的首选模型.     

电流负载对滑动电接触系统摩擦学行为的影响

目的 探讨电流对滑动电接触摩擦学行为特性的影响,厘清电流负载与滑动电接触摩擦学行为之间的关系。方法 采用黄铜材料为对摩副,在自行设计的摩擦滑动电接触试验机上进行球–面电接触摩擦学试验。分别输入0.2、1、2 A的直流负载,采集界面的摩擦因数、摩擦力、接触电压信号,并分别使用光学显微镜和扫描电镜等设备观察界面的摩擦磨损特性。利用ABAQUS中的热–电–力多场顺序耦合算法模拟试验过程,分析界面电压、温度和切应力的变化特性。结果 当电流从0.2 A增至1 A时,界面的摩擦因数在稳定阶段均为0.5左右,同时摩擦力信号也未出现显著差异。当电流负载进一步增至2 A时,摩擦因数增至0.7,摩擦力也显著增大。当电流负载从0.2 A增至2 A时,接触电压从0.1 V增至0.75 V,接触电压的增大倍数与电流的增大倍数不同。磨损分析结果表明,当电流增至2 A时,界面磨损程度加剧,同时导致磨屑堆积,形成局部“摩擦凸台”,且“摩擦凸台”的数量显著增多,直接导致界面黏着区域增大。有限元分析结果表明,当电流增至2 A时,界面温度上升明显,热效应显著,因此剪切力明显增大。结论 界面的接触电阻包括收缩电阻和薄膜电阻,在摩擦过程中它们随磨损程度发生变化,因此接触电压不随电流的增大而等比例增大。当电流增至一定程度时对界面的摩擦学行为具有负作用,这是由于电流负载的增加导致界面温升显著,摩擦切应力增大,黏着效应增强,从而加剧了界面的摩擦磨损程度。此研究结果为认识电流负载与滑动电接触摩擦学行为之间的关系提供了理论依据。     

变速变载条件下Inconel带材的成形性能

Inconel铟镍合金是核电设备中燃料组件格架条带的常见原材料。为了提高核燃料组件格架条带产品的冲制质量,对铟镍合金板料冲压成形性能进行了研究。针对该材料价格昂贵和各向异性明显的特点,采用有限元方法进行分析。首先通过试验方法得到材料力学性能参数,再利用有限元模拟分析在变速变载条件下铟镍合金的成形性能。研究了冲压成形速度、速度模式、压边力大小和载荷模式对铟镍合金成形性能的影响。最后通过模具冲制试验结果分析验证了有限元模拟分析的正确性。结果表明:通过有限元数值模拟分析更加了解了铟镍合金板料冲制性能,并为格架条带冲制提供了工艺参数。     

TC4钛合金神经网络本构模型及在有限元模拟中应用

利用Zwick/Roell Z100材料试验机,对TC4钛合金进行等温恒应变速率下的单向拉伸试验。基于获得的试验数据,采用BP神经网络技术建立了该合金的高温本构关系模型,并对其预测性能进行分析。基于ABAQUS/Explcit平台进行材料子程序二次开发,将神经网络本构模型嵌入到有限元计算中,实现了TC4钛合金高温变形的数值模拟。结果表明,神经网络本构模型预测精度很高,可以准确地描述TC4钛合金在热态下的动态力学性能。神经网络本构模型应用于有限元模拟可行且有效。     

镁合金网格壁板压弯成形数值模拟及实验研究

为探索镁合金整体壁板压弯成形的可行性,以及镁合金壁板压弯成形过程中金属的流动规律,对AZ31镁合金网格壁板压弯成形进行了数值模拟和实验研究。建立了有限元数值模拟的几何模型,采用有限元计算软件对AZ31镁合金网格壁板压弯成形过程进行了数值模拟研究,分析了镁合金网格壁板压弯成形中的温度场、应变场、应力场、破坏系数等的分布规律。确定了合适的AZ31镁合金壁板压弯成形工艺参数,并对镁合金网格壁板压弯成形进行了实验研究,获得了合格的镁合金网格壁板弯曲件,并分析了镁合金网格壁板成形件尺寸精度,模拟结果与实验结果相吻合,最大相对误差为16.7%。     

冲击载荷下TC18钛合金力学性能模拟研究

TC18钛合金在退火状态下的屈服强度非常高,进行动态力学性能测试存在一定困难,可优先考虑采用数值模拟方法对其动态力学性能进行研究,而数值模拟结果的精确性主要取决于合金本构方程的精确性。为了减少数值模拟与实验结果之间的差异,在Johnson-Cook模型的基础上做了调整,利用ABAQUS软件的子程序接口自定义了材料本构子程序UMAT,以代码的形式来扩展ABAQUS程序的功能。通过与ABAQUS/Standard软件分析结果以及实验结果的对比,验证了自定义材料本构子程序UMAT计算结果的精确性与可靠性。该研究可为TC18钛合金的结构设计提供参考。     

航空钛合金切削过程有限元数值模拟分析

切削加工过程模拟的实质是采用有限元方法求解非线性问题的过程。建立了钛合金构件切削有限元模型,其切屑分离准则是以材料损伤理论为基础确立的;利用已有的研究成果,构建了求解切削温度场和切削力的有限元模型;利用有限元软件ABAQUS/Explicit进行模型建立、材料输入、部件装配、局部细分网格、运动仿真等;通过对钛合金切削过程的仿真计算得到切削温度、切削力等的一般规律。结果表明:模拟结果与实际生产结果相符合。     

BT25钛合金β相区动态再结晶行为及数值模拟

利用Gleeble-3500 型热模拟试验机对BT25 钛合金进行单道次等温压缩实验,分别采用Najafizadeh-Jonas 加工硬化率模型和Cingara-McQueen 流变应力模型研究了合金在变形温度1040～1100℃,应变速率0.001～1 s-1 和最大压下率为60％的条件下动态再结晶的临界条件,分析真...     

聚合物表面空间环境防护涂层热应力分析方法研究进展

柔性聚合物材料作为航天器表面用关键材料,易受到空间环境的协同损伤,在其表面制备防护涂层是实现长期服役的重要技术。但由于常用防护涂层与基体间的性能差异,涂层易因应力出现开裂和剥落,因此应力分析对于材料的设计和优化非常重要。对于涂层应力的分析方法,主要可以分为基于试验测量以及基于数值仿真的有限元分析方法两类。梳理目前常见的试验测量方法,分析有损法和无损法试验测量的应用,整理归纳基于数值仿真的有限元分析方法的原理以及相关应用,比较不同方法的优缺点,总结其局限性以及应用前景。不同应力测试分析方法在材料的服役寿命和失效形式预测中发挥了重要作用,但传统的机械有损测量方法难对应力情况进行实时监测,近年来发展起来的无损法也存在一定的应用局限性,有限元模拟具有实时、全面的应力测量优点,但是与实际涂层模型具有一定的差距。基于目前试验方法与有限元仿真各自的局限性,提出将有限元仿真与试验表征结合成为进一步指导涂层设计的有效方法,有望有效预测涂层失效机制,优化涂层材料制备工艺,开发具有低应力结构的涂层材料,为聚合物表面用关键涂层材料的轻量化发展和长期可靠服役提供技术支撑。     

超硬涂层材料滚动接触应力场数值模拟

分析研究了超硬涂层材料滚动接触的应力场，应用数值模拟技术和有限元分析软件ANSYS，以推力球轴承为研究对象建立超硬涂层材料滚动接触模型，分析材料特性对超硬涂层材料滚动接触应力场的影响。研究结果表明，最大剪切应力发生在涂层和基体结合处，同时基体内的应力也比单一材料时的应力大。     

7075铝合金电子束焊接温度场数值模拟

针对航空航天业中应用较广的7075铝合金,采用ANSYS有限元软件,按照划分单元、逐次计算并逼近真实值的近似计算方法,对该合金电子束焊接的热过程进行了计算机数值模拟的可行性研究.结果表明,7075铝合金电子束焊接过程中焊接热输入较大,焊缝较窄,熔深大.通过验证,用有限元数值模拟方法得到的焊接及热处理温度场分布规律与实测温度值基本一致.