孔隙梯度ZrO2防热材料的热分析.doc

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1、孔隙梯度ZrO2防热材料的热分析刘齐文"刘齐文（1962-），男，副教授。联系地址：武汉市珞狮路122号武汉理工大学理学院工程结构与力学系，联系电话：027-87161811；电子邮件：qiwen_liu@whut.edu.cn，陈常连张联盟武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室摘要：本文应用有限元法分析了两种孔隙梯度ZrO2防热材料在热冲击载荷作用下的温度场分布。数值模拟表明：孔隙率呈非对称梯度分布要优于呈对称梯度分布的结构；在不考虑变物性参数的情况下，如果所施加的热流密度小于WM/m2，则热固耦合的影响可以忽略不计。关键词：ZrO2；

2、孔隙梯度；热分析；热冲击1、引言陶瓷/金属功能梯度复合材料（FGM）被广泛应用于航天飞机、火箭、航空发动机以及内燃机等需要经受高温、热循环、大的热冲击等工作环境极为恶劣的部位。本文则针对一种孔隙率呈梯度变化的ZrO2陶瓷材料，对其在多种水平的热冲击载荷作用下的温度场响应进行了数值模拟。2、试样以及模拟工况孔隙梯度ZrO2陶瓷试样为武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室FGM研究室制备，试样尺寸为：Ф20.×5。进行数值模拟时，模仿实验环境，在致密侧施加均布的热流载荷，其热流密度为q。试样示意图以及热流密度的时间历程如下图所示：图1：圆棒形

3、试样剖面示意图图2：热流密度加载的时间历程曲线而结合层为纯Ni，将其底部则考虑为恒温条件。材料的性能数据如下表所示：表1ZrO2致密层物性参数数据KXXCDENSEXPRXYALPXW/mKJ/KgKKg/cm3GPa10-6/°C20/2.04220/628.52594020/1.8963e1120/0.33530/10.79300/9.57600/10.42900/10.931200/11.92表2孔隙率为53%的ZrO2陶瓷试样物性参数KXXCDENSEXPRXYALPXW/mKJ/KgKKg/cm3GPa10-6/°C20/0.57

4、20/628.52317020/0.40e1120/0.33530/15.32300/9.79600/10.29900/10.631200/11.53表3Ni的物性参数KXXCDENSEXPRXYALPXW/mKJ/KgKKg/cm3GPa10-6/°C16.49509.95786010/185.316.4800/1413、模拟方案3.1试样结构考虑两种孔隙梯度结构，一种为对称结构，如下图所示，其致密层抵抗高热流密度的载荷作用，对称孔隙梯度部分则缓解热流和热应力，并起到隔热作用；另一种则为孔隙率呈单调梯度分布，即从致密层至疏松层，孔隙率呈单

5、调增加。致密层对称孔隙梯度结构图3：对称孔隙梯度结构ZrO2示意图3.2分析模型除特别说明，试样沿厚度方向分10层，孔隙率呈线性变化（在对称孔隙梯度结构的情况下，为双线性变化），包括结合层在内，整个模型用2150个结点、2346个轴对称单元模拟。热流密度分为3级：2.0MW/m2、2.5MW/m2、4.0MW/m2。3.3温度场分析分别考虑热固耦合以及解耦时的温度场分析，在进行热固耦合分析时，对结合层底部施加轴向的位移约束，沿轴线施加轴对称约束，其余为自由边界条件。4模拟结果以及分析数值模拟结果列于表4以及图4－图7中，表中所给出的数值为图

6、1中A点的温度。表4模拟结果温度°Cq＝2.0MW/m2q＝2.5MW/m2q＝4.0MW/m2结构coupleuncouple%coupleuncouple%coupleuncouple%非对称188819191.6237523991.038723838对称207621272.5261326591.84268425310.010.810.010.8图4温度响应时间里程曲线热固耦合分析，q＝4.0MW/m2图5温度响应云图热固耦合分析，q＝4.0MW/m2图6温度响应时间里程曲线解耦分析，q＝4.0MW/m2图7温度响应云图解耦分析，q＝4

7、.0MW/m2为了便于对比，特地将对称孔隙梯度结构的层数增加到14、18层，结果列于表5。需要说明的是，在18层的情况下，有限元网格更为精细。表5对称孔隙梯度材料不同层数的对比层数N101418非对称温度°C207610.0%20357.8%20186.9%18881874从表4可以看出，无论是对称孔隙梯度结构还是非对称孔隙梯度结构，在耦合分析与解耦分析的结果都非常接近，也就是说，热固耦合效应几乎可以忽略不计；同时，当热流密度小于4.0WM/m2时，考虑耦合效应的温度响应要高于解耦分析的结果，否则，解耦分析的温度响应将更大；从这两种结构对比

8、来看，非对称孔隙梯度结构更优。4结论在不考虑物性参数随温度变化的条件下，当外部热流密度载荷小于或等于4WM/m2时，对于孔隙梯度结构的ZrO2材料而言：a)热固耦合效应对温度响应