基于内聚力单元热障涂层体系失效过程有限元模拟分析

《基于内聚力单元热障涂层体系失效过程有限元模拟分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、学校代码10530学号201010081189分类号TB35密级硕士学位论文基于内聚力单元热障涂层体系失效过程有限元模拟分析学位申请人杨雪松指导教师毛卫国教授学院名称材料与光电物理学院学科专业材料科学与工程研究方向防护涂层的制备及其应用二零一三年五月IFiniteElementAnalysisofFailureProcessofThermalBarrierCoatingsbyusingCohesiveElementCandidateXuesongYangSupervisorAssociateProfessorWeiguoMaoCollegeFacultyofMater

2、ials,OptoelectronicsandPhysicsProgramMaterialsScienceandEngineeringSpecializationThermalBarrierCoatingsMaterialsDegreeEngineeringMasterUniversityXiangtanUniversityDateMay,2013湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和

3、集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要热障涂层(thermalbarriercoatings，简称TBCs)是目前世界上最先进的高温防护涂层之一，具有良好的

4、高温化学稳定性、抗冲刷性和隔热性等特点，已被广泛应用在核技术以及航空航天发动机内高温部件中。然而，由于涡轮叶片几何形状不规则性、服役环境的复杂性和热障涂层体系结构的多样性，应用理论分析和实验表征方法评价涂层的可靠性受到极大的限制，开展有限元模拟方法预测带涂层的复杂结构构件服役寿命以成为当前的热点问题。本文采用有限元模拟和实验验证相结合的办法，确定了用于预测热障涂层体系断裂失效的有限元模型关键参数，为将来预测复杂结构涂层构件的失效及可靠性提供可靠的参数依据。具体内容如归纳如下：第一，运用单边切口梁法，结合数字图像相关技术得到了不同热循环条件下纯涂层样品的断裂强度和断裂韧

5、性。然后运用扩展有限元方法建立模型，有效再现裂纹的萌生和扩展过程。在弹性模量和断裂强度给定的条件下，尝试输入陶瓷涂层的断裂能，再把获得模拟载荷挠度曲线与实验所测得载荷挠度曲线进行对不分析，从而在一系列预设的断裂能中估算出一个最合适的陶瓷涂层断裂能。再利用线弹性断裂力学，推导出了对应的断裂韧性，与实验所得到的断裂韧性值对比，两者结果非常吻合。这部分纯陶瓷断裂的有限元模型参数为后续热障涂层体系断裂失效提供必需的关键参数。第二，考虑残余应力的影响，应用上述陶瓷层断裂的模型参数，成功地模拟了在基底外加拉伸载荷作用下热障涂层断裂失效过程。首先讨论了陶瓷层沉积温度和厚度对热障涂层

6、系统残余应力分布的影响，进一步分析了其中陶瓷层和粘结层的存在对基底内应力分布的影响，尤其是重点分析基底被拉伸拉伸过程中陶瓷层正应力、界面剪切应力的演变过程。合理的估算出了影响深度区间的大小，对合理推导三层结构涂层体系剪滞模型解析解提供重要的模拟指导。当基底外加应变达到0.27%时，有限元模拟表面陶瓷层发生断裂，这结果与实验测试基本一致。第三，在前面两章的基础上，进一步在有限元模型中，首在陶瓷层/粘结层界面植入内聚力单元，并对热障涂层体系破坏过程中一个代表性的涂层小块进行模拟，分析拉伸载荷条件下热障涂层系统的剥落失效行为。模拟结果表明：当基底外加应变为0.43%时，陶瓷

7、涂层/粘结层的界面开始萌生裂纹。随着基底应变的增加，裂纹开始慢慢扩展，最终不同位置处界面裂纹相连接导致涂层的剥落失效。这部分模拟结果和过程与基于数字图像相关技术的热障涂层拉伸断裂结果相一致。关键词：热障涂层；内聚力模型；扩展有限元模型；断裂；力学性能AbstractThermalbarriercoatings(TBCs)havebeenwidelyappliedinnucleartechnologyandaircraftengineduetotheirexcellentwearresistance,corrosionresistance,andthe