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1、第15卷第2期航空动力学报Vol.15No.22000年4月JournalofAerospacePowerApr.2000文章编号:1000-8055(2000)02-0171-04TBC界面裂纹K因子的有限元求解方法刘刘杨晓光耿瑞(北京航空航天大学动力系,北京100083)摘要:本文针对由陶瓷层和粘结层构成的热障涂层(TBC)双层材料结构,探讨了应用裂纹面位移数据及J积分计算分析陶瓷层/粘结层界面裂纹应力强度因子的有限元方法。考虑了拉伸及热应力两种载荷情况。在传热分析时,考虑了界面裂纹对传热的影响。对于这类双材料界面裂纹,应力强度因子是Ⅰ型和Ⅱ型裂纹复合的,它包括应力强度因子的模和相
2、位角。根据所得的结果比较,可以看出这两种方法的结果有较好的一致性。关键词:热障;涂层;应力强度因子;有限元方法;界面;裂纹中图分类号:O346.1;V231.95文献标识码:A方法,求解TBC中界面裂纹的K因子。为此,采1前言取了两种不同的方法计算:一种为应用裂纹面位热障涂层(TBC)由陶瓷层和粘结层构成。涂移数据计算;另一种为应用J积分计算。由于层一般很薄,不超过0.5mm,但隔热效果极其显TBC中陶瓷层和粘结层材料性能的不匹配性,其著,最大可得300F的温降,目前主要用于航空发界面裂纹必然为复合型的裂纹,应力强度因子是动机热端部件的热防护或隔热。由于TBC中陶瓷一个复数,包括模和相
3、位角。层、粘结层以及基体金属材料具有不同的热膨胀2有限元模型系数,高温工作时将在涂层中产生热应力,在循环热载下陶瓷层和粘结层界面处裂纹的产生而导致采用MARC有限元软件进行分析。有限元网的涂层剥落,是TBC失效的主要模式,因此需要格如图1所示。上面为陶瓷层,其厚度为0.25mm有方法得到界面裂纹的断裂控制参量。这是典型的双材料界面断裂力学问题。最早Williams分析[1]了各向同性双材料界面裂纹问题,得到了Ⅰ型和Ⅱ型裂纹尖端应力具有的振荡奇异性的结论。可见双材料界面裂纹裂尖应力场和应力强度因子是很复杂的。随着TBC的广泛应用,许多研究人员从不同角度研究了TBC界面裂纹的断裂问题。[2
4、]其中Y.R.Takeuchi和K.Kokini研究了TBC中表面裂纹和界面裂纹的产生机理。T.R.[3]Hornack研究了瞬间的热载荷对TBC的周向界[4]面裂纹的影响。David.A.Oneil研究了TBC中的缺陷方向是如何通过界面和基体来影响裂纹扩[5]展的。B.Dattaguru等研究了双材料平板受垂直图1有限元模型于界面的拉伸载荷时,界面裂纹Ⅰ型和Ⅱ型应变紧接着为粘结层,它的厚度为0.125mm,以下是能释放率的计算。本文主要研究如何结合有限元收稿日期:2000-05-15;修订日期:2000-08-01作者简介:刘刘(1976-),女,北京航空航天大学动力工程系硕士生17
5、2航空动力学报第15卷基体材料。模型中的裂纹为一个边裂纹,裂尖距模对于热载荷下的TBC结构,由有限元计算可型左边缘的距离为1mm。采用八结点四边形等知当传热达到稳态时,0.25mm厚的陶瓷层中温参平面应变单元。裂纹尖端为三角形单元,并采用降达到162℃。在计算温度场的过程中,由于裂纹了四分之一节点法,以便更好的模拟裂尖附近应的存在,在考虑上下裂纹表面传热时,是有热阻力场奇异的情况。在传热分析时,模型上表面温度的,并且这热阻与界面的传热和变形是耦合的,很为1000℃,下表面温度为800℃。应力计算时,边难用MARC有限元软件模拟该薄膜热阻。作为近界约束条件为:模型下表面各结点沿Y方向固似
6、考虑,模型中使上下裂纹表面温度相等。这种方定,而下表面最左端的结点沿X,Y方向均固定。法与将裂纹上下表面绝热来进行分析是有很大区上表面拉伸载荷的大小为25MPa。图2为裂纹尖别的。端网格尺寸图和积分路径。3.2界面裂纹应力强度因子的计算TBC界面裂纹的断裂分析希望寻找到控制界面裂纹开裂和失稳扩展的物理参量,建立扩展准则。在这里选择了传统的参量应力强度因子。由于双材料界面Ⅰ型裂纹和Ⅱ型裂纹复合的,所以K因子是复数。iK=K1+iK2=Ke(1)在这里K是应力强度因子的模,是其相位角。为了确定复数的K因子,下面分别讨论了两种不同的方法。对二者计算出来的K因子的结果进行了比较。这
7、两种方法分别为:(1)应用裂纹面位移数据进行计算,(2)通过J积分进行计算。3.2.1应用裂纹面位移数据计算应力强度因子图2裂尖网格尺寸由两种不同材料的弹性半平面组成一个无限基体材料为K3,该材料是一种镍基铸造高温大平面,在它们的交界处有一无限长裂纹,如图3合金,各向同性。粘结层为NiCoCrAlY。陶瓷层材所示。y>0的区域为材料1,剪切模量和泊松比分料为ZrO2-7Y2O3。三种材料与温度相关的材料别为1和1;y<0的区域为材料2,相应
