换热边界下变物性梯度功能材料板瞬态热应力

用有限元和有限差分法,分析了由ZrO2 和Ti-6Al-4V组成的变物性梯度功能材料板的瞬态热应力问题,检验了方法的正确性,给出了对流换热边界下变物性梯度功能材料板的瞬态热应力场分布,并与不考虑变物性时的结果进行了比较。结果表明：在计算瞬态热应力场分布时,变物性是影响梯度功能材料板瞬态热应力场的最重要因素之一。此外,材料组分的分布形状系数 M、环境介质温度和对流换热系数的变化对变物性梯度功能材料板的瞬态热应力场分布均有明显的影响。此结果为梯度功能材料的设计和应用提供了理论计算依据。     

加热、冷却下变物性梯度功能材料板瞬态热应力

用非线性有限元法分析由ZnO2和Ti-6Al-4V组成的变物性梯度功能材料板在加热、冷却过程中的瞬态热应力问题,检验方法的正确性,给出不同力学边界条件下该材料板的瞬态热应力场分布,并与常物性时的结果进行比较。结果表明,考虑变物性比常物性时的最大拉应力减少26％,最大压应力减少23．2％;在冷却初瞬时,陶瓷侧出现很大拉应力;此外,材料组分的分布形状系数M的变化和力学边界条件对该材料板的加热、冷却瞬态热应力场分布的影响显著。此结果为该材料的设计、制备提供了准确的理论计算依据。     

功能梯度Al2O3涂层残余热应力分析

Al2O3/316L功能梯度材料是一种聚变反应堆第一壁的候选材料。为避免制备过程中因材料之间热物理性能差别产生的热应力过大造成材料的失效,须对梯度材料进行合理的热应力缓和设计。运用有限元软件,分析成分分布指数、梯度涂层厚度和梯度层数目等参数对Al2O3/316L功能梯度材料残余热应力的影响。分析结果表明：体积分布指数p=1.0时所受热应力最小,涂层承受压应力作用;梯度层数为9时热应力缓和效果最好;梯度层厚度不宜过大;将非功能梯度材料与优化后的功能梯度材料的残余热应力进行比,结果显示：功能梯度材料缓和热应力效果十分显著。最后利用等离子喷涂方法制备了梯度涂层测试涂层残余应力,并与有限元结果进行对比,以验证模拟的准确性。     

换热边界下梯度功能材料板稳态温度场研究

用有限元法分析了由ZrO2和Ti-6Al—4V组成的梯度功能材料板在对流换热边界条件下的稳态温度场问题，检验了方法的正确性，给出了对流换热边界下的稳态温度场分布。结果表明：材料组分的分布形状系数M、孔隙度P、对流换热系数和环境介质温度的变化对梯度功能材料板的稳态温度场分布均有明显的影响。此结果为材料设计和进一步的热应力分析提供了准确的计算依据。     

非均匀温度场下变梯度特性热成形技术研究

传统的热成形工艺所得制件虽具有超高强度,但塑性通常较低,且成形件各部位的力学性能相同,综合力学性能不高,难以满足日益增加的变梯度特性热成形制件的需求。对变梯度热成形技术进行较为深入的研究。利用有限元法分析非均匀温度场下板料热冲压过程,并通过试验揭示非均匀温度场下热成形过程中微观组织的演变规律及其对材料性能渐变性的影响。利用金属固态相变原理中不同的微观组织条件下成形件的力学性能不同,研究钢板热成形过程中板料初始非均匀温度场引起的板料微观组织分布状态,得到分别为铁素体、珠光体组织;铁素体、珠光体、马氏体混合组织;马氏体组织梯度渐变的微观组织形态。这种通过建立板料非均匀温度场达到材料微观组织渐变分布、性能梯度分布的工艺显著提高了成形件的综合力学性能,为深入探讨热成形技术提供了新的研究方向,扩宽了热成形制件的范畴。     

变厚度多孔梯度材料圆板的热后屈曲分析

为分析多孔梯度材料圆板在非均匀温度场中的热后屈曲响应,基于经典板理论和物理中面概念建立了梯度多孔材料圆板在热载荷作用下的控制微分方程,其中假设厚度变化沿半径为二次抛物线型且板在其厚度上具有对称和非对称的非均匀孔隙率分布。采用打靶法数值求解了问题的屈曲和后屈曲响应,给出了均匀升温和热传导下的梯度多孔非线性变厚度圆板后屈曲平衡路径。结果显示：变厚度系数、孔隙率系数、孔隙分布方式以及温度场对板的临界载荷和后屈曲平衡路径均有影响;在不同温度场中孔隙率系数越大,屈曲时的临界载荷越小;孔隙率对称分布下的临界载荷大于非对称情况下的。     

换热边界下梯度功能材料板稳态热应力

用有限元和辛普生法研究了由ZrO2和Ti-6Al～4V组成的梯度功能材料板的稳态热应力问题，检验了孔隙度P为零时数值模拟模型的正确性，给出了对流换热边界下的稳态热应力场分布。结果表明：材料组分的分布形状系数M、孔隙度P、对流换热系数和环境介质温度的变化对该材料板的稳态热应力场分布均有明显的影响；在设定条件下，当P=0时，该材料无限自由长板在金属和陶瓷附近板内为压应力，而在板中部为拉应力；当A=3.99时，陶瓷侧拉应力最大。     

矿车盘式制动器热－结构耦合分析

研究矿车盘式制动器耦合场的分布规律。采用温度场与应力场直接耦合方法,根据矿车制动摩擦副的实际尺寸及热传导的原理,建立摩擦副三维瞬态热-结构耦合的有限元模型,对制动器在紧急制动工况下进行数值模拟。结果表明,耦合场下制动盘温度场、应力场都呈现带状分布,温度与应力的最大值出现在摩擦盘与摩擦片接触挤压处,且应力最大值的出现稍滞后于温度最大值,这说明了二者之间具有耦合特性; 摩擦副径向、轴向具有较大的温度分布梯度,因此会产生较大的热应力,对制动器摩擦副材料造成热冲击和热疲劳,严重时可能会导致制动盘出现裂纹。     

三种工况下SiC/Al FGM紧凑拉伸试件的力学行为研究

SiC/Al梯度功能材料各梯度层由不同体积浓度的陶瓷和金属组成,由于材料组分梯度变化,克服了双材料界面的应力突变问题,从而获得优异的使用性能。文中应用Ansys软件和激光云纹干涉法,对具有四个梯度层的SiC/Al梯度功能材料紧凑拉伸试件在三种工况下的力学行为进行研究。通过Ansys分析得出试件裂纹扩展的规律以及裂前4mm处的应变分布,后续实验采集试件随各载荷变化的位移场云纹图,根据位移与条纹级数的关系以及小变形条件下应变与条纹级数关系式,得到梯度功能材料紧凑拉伸试件预制裂纹区的应变分布。通过两种方法相应结果对比分析,得出有关梯度功能材料的裂纹扩展准则的适用性方面的结论;同时,就实验获得的应变测量结果,讨论梯度功能材料的物性变化规律,以及材料组分和梯度层结构对材料整体物性参数的影响。     

钛镍合金固体火箭发动机一维非稳态导热及热应力研究

本文以固体发动机地面试车启动工况为背景,将其简化为一维等厚壁圆筒,进行非稳态圆筒热应力计算。先将火箭发动机启动时瞬态温度作为边界条件,利用ABAQUS分析等厚圆筒非稳态导热,得到瞬态温度场;再用MATLAB编程实现等厚壁圆筒的热应力的计算。本论文发展了固体发动机减维热应力计算方法,为概念设计和参数敏感性分析提供方法支持。     

铝基体喷涂Al2O3-TiO2/NiCoCrAlY系梯度涂层的抗热震性能

在ZL104铝合金基体上喷涂了Al2O3-TiO2／NiCoCrAlY系梯度涂层和Al2O3-TiO2非梯度涂层,对这两种试样进行了室温←→400℃冷热循环试验,以研究涂层的抗热震性能和热震失效机制。结果表明：Al2O3-45%TiO2与基体热膨胀系数的差异所产生的热应力是热震过程中涂层剥落的主要原因,涂层成分的梯度变化缓解了热应力,提高了抗热震失效能力;在热震循环过程中试样的弯曲是由基体和涂层材料膨胀系数、导热系数的差异以及铝基体的塑性变形造成的,这种变形使涂层产生残余拉应力,降低了涂层的抗热震性能。     

HOVF WC-10Co4Cr涂层磨削瞬态温度场及应力场数值模拟

从经典热传导方程和热弹塑性力学出发,建立了磨削过程中移动热源作用超音速火焰喷涂WC-10Co4Cr涂层材料的二维传热模型和热应力模型;在考虑材料热物理参数随温度变化的基础上,利用有限元分析软件ANSYS来研究双层材料在磨削热-结构耦合作用下的瞬时温度场和应力场。数值研究结果表明,由于WC-10Co4Cr涂层热传导系数和比热容比300M钢基体大,所以温升主要停留在涂层内;磨削温度沿工件深度方向非连续分布,涂层基体结合面的温度梯度最大;由于涂层、基体材料热膨胀系数差异较大,在结合面处产生极大的热应力;磨削温度、涂层-基体结合面热应力随涂层厚度的降低而增大。开展了磨削温度测量实验,测量了不同涂层厚度时工件表面的磨削温度,对数值仿真结果进行了验证。     

考虑材料物性热效应热障涂层活塞热特性研究

采用耦合方法研究材料物性热效应对热障涂层活塞热特性的影响.以某柴油机活塞为研究对象,建立耦合模型并验证计算的正确性;基于材料物性参数随温度的变化,分析材料物性热效应对活塞温度场和热应力的影响.结果表明:材料物性热效应对最高温度影响较小,温度波动约2.25％.考虑材料物性热效应的最大热应力为524MPa,比常物性参数的热...     

ER制动器温度和热应力场的ANSYS分析

给出一个二维轴对称 ER制动器盘片的有限元模型。计算了在紧急制动时的制动器盘片的温度场瞬态解 ,绘制了盘片表面上由里到外 5个点的温度响应曲线和盘片横截面的温度云图 ,进一步得到温度场的等效应力。仿真结果显示 ,在紧急制动情况下 ,盘片和 ER流体的温度急剧上升 ,表面温度最高达 2 86℃。圆盘表面外边缘处的热应力最大 ,最大 Von Miss等效热应力和最小的等效热应力差一个数量级     

陶瓷/金属非保守FGM斜板的颤振分析

研究了陶瓷/金属非保守功能梯度材料（FGM）斜板的颤振问题。以薄板理论为基础,假定材料的等效物性参数为沿厚度方向体积分数的幂律变化,在斜坐标系下建立了非保守FGM斜板的运动微分方程。运用微分求积法,对四边固支边界条件下陶瓷/金属非保守FGM斜板的量纲一复频率进行了数值计算,分析了FGM斜板的梯度指标、夹角和长宽比的变化对非保守FGM斜板稳定性的影响。结果表明,非保守FGM斜板的临界颤振荷载随梯度指标和夹角的增大而减小,随长宽比的增大而增大。     

SiC/Al梯度功能材料燃气舵样件的应变测试

SiC/Al梯度功能材料的各梯度层由不同体积浓度的陶瓷和金属组成,由于材料组分梯度变化,克服了双材料界面的应力突变问题,从而能获得优异的使用性能.文中用激光云纹干涉法,对具有四个梯度层的SiC/Al梯度功能材料航空燃气舵梯形样件在三种工况下进行实验研究.通过实验采集试件随各载荷变化的位移场云纹图,根据位移与条纹级数的关系以及小变形条件下应变与条纹级数关系式,获得样件的应变分布.通过实验结果与文献对比分析,在有关梯度功能材料样件的热缓和效应和热分散效应方面取得一致结论;同时,就实验获得的应变测量结果,讨论梯度功能材料的物性变化规律;另外,文中尝试建立一种简化的样件计算模型,采用该模型所得计算结果与实验数据较一致.     

MoSi2/不锈钢的梯度连接及其接头组织

采用放电等离子烧结技术和有限元分析设计的MoSi2/316L梯度材料作为过渡层连接MoSi2与316L不锈钢,研究了各层及界面组织.结果表明:MoSi2与梯度过渡层材料间热膨胀系数的有效匹配,可防止低韧性MoSi2由连接温度(1 200 ℃)冷却时产生的残余应力而引起的开裂;使用9层MoSi2/316L梯度材料过渡层体系可获得一种组织致密且均匀的接头;MoSi2/316L不锈钢梯度过渡层在宏观上呈现明显的梯度,微观上则表现出成分连续变化,且各层成分分布均匀.     

螺旋锥齿轮磨齿温度场研究与应用分析

根据螺旋锥齿轮的数控磨削原理,采用热传导和矩形移动热源理论及有限元分析方法,建立了磨齿温度场有限元分析3D模型和磨齿瞬态温度场。对热和结构两个物理场进行耦合,仿真分析了磨齿瞬态热应力和热变形。实例和试验分析表明:磨齿瞬态最高温度远高于磨齿稳态温度,且位于磨削弧中心;其他各点的瞬态温度,随位置、时间以及其他影响因素的不同,呈现不同的变化规律。磨齿瞬态热应力、热变形与磨齿瞬态温度密切相关,同时还受结构、材料特性和磨削条件等因素的影响,磨齿瞬态最大热应力与热变形位于磨齿瞬态最高温度附近。在其他条件相同时,采用油基磨削液的瞬态最高温度、热应力与热变形均比采用水基磨削液时要大。     

碳纳米管增强功能梯度复合材料薄板建模与分析

碳纳米管(Carbon Nanotube,CNT)增强功能梯度薄板的超高弹性模量、低密度及纤维结构等特点,使其具有广泛的应用前景,但是材料组成结构的复杂性给建模带来了难处。基于Reissner-Mindlin假设,建立碳纳米管增强功能梯度复合材料薄板结构的线性有限元模型,分别分析CNT增强体的分布形式、体积率、边界条件及结构的几何尺寸等因素对该功能梯度复合材料薄板结构性能的影响。通过四边简支及均匀面载荷下的板结构响应数据验证了所建模型的准确性。利用所建模型对CNT增强功能梯度薄板结构进行了几何线性的计算与仿真。研究表明:随着CNT增强体体积率的增加,FGM薄板的形变量减小;X型分布的功能梯度板的形变量最小,O型分布的薄板形变量最大,均一及V型分布产生的形变量大小介于两者之间;当薄板宽厚比小于50时,FGM板变形量趋于稳定且较小。     

铀表面铝镀层热应力的有限元分析

对铀表面磁控溅射沉积铝镀层的热应力进行了热弹塑性有限元分析。结果表明：镀层内的热应力较大,达到铝的屈服强度,镀层界面两侧存在明显应力梯度,试样侧边存在由于边缘效应引起的应力分布不均匀性,至侧边约4倍镀层厚度处,应力分布不均匀性逐渐消失;沉积温度升高,界面塑性应变明显增大,镀层弹性模量和泊松比对镀层界面热应力和塑性应变的影响较小,而屈服强度的影响较大,减薄镀层厚度有利于改善镀层界面的热应力和塑性应变。