基于內聚力單元熱障涂層體系失效過程有限元模擬分析.pdf

1、熱障涂層(thermal barrier coatings，簡稱TBCs)是目前世界上最先進的高溫防護涂層之一，具有良好的高溫化學穩(wěn)定性、抗沖刷性和隔熱性等特點，已被廣泛應用在核技術以及航空航天發(fā)動機內高溫部件中。然而，由于渦輪葉片幾何形狀不規(guī)則性、服役環(huán)境的復雜性和熱障涂層體系結構的多樣性，應用理論分析和實驗表征方法評價涂層的可靠性受到極大的限制，開展有限元模擬方法預測帶涂層的復雜結構構件服役壽命以成為當前的熱點問題。本文采用有限元模

2、擬和實驗驗證相結合的辦法，確定了用于預測熱障涂層體系斷裂失效的有限元模型關鍵參數(shù)，為將來預測復雜結構涂層構件的失效及可靠性提供可靠的參數(shù)依據(jù)。具體內容如歸納如下：
　　第一，運用單邊切口梁法，結合數(shù)字圖像相關技術得到了不同熱循環(huán)條件下純涂層樣品的斷裂強度和斷裂韌性。然后運用擴展有限元方法建立模型，有效再現(xiàn)裂紋的萌生和擴展過程。在彈性模量和斷裂強度給定的條件下，嘗試輸入陶瓷涂層的斷裂能，再把獲得模擬載荷撓度曲線與實驗所測得載荷撓度曲

3、線進行對不分析，從而在一系列預設的斷裂能中估算出一個最合適的陶瓷涂層斷裂能。再利用線彈性斷裂力學，推導出了對應的斷裂韌性，與實驗所得到的斷裂韌性值對比，兩者結果非常吻合。這部分純陶瓷斷裂的有限元模型參數(shù)為后續(xù)熱障涂層體系斷裂失效提供必需的關鍵參數(shù)。
　　第二，考慮殘余應力的影響，應用上述陶瓷層斷裂的模型參數(shù)，成功地模擬了在基底外加拉伸載荷作用下熱障涂層斷裂失效過程。首先討論了陶瓷層沉積溫度和厚度對熱障涂層系統(tǒng)殘余應力分布的影響，進

4、一步分析了其中陶瓷層和粘結層的存在對基底內應力分布的影響，尤其是重點分析基底被拉伸拉伸過程中陶瓷層正應力、界面剪切應力的演變過程。合理的估算出了影響深度區(qū)間的大小，對合理推導三層結構涂層體系剪滯模型解析解提供重要的模擬指導。當基底外加應變達到0.27％時，有限元模擬表面陶瓷層發(fā)生斷裂，這結果與實驗測試基本一致。
　　第三，在前面兩章的基礎上，進一步在有限元模型中，首在陶瓷層/粘結層界面植入內聚力單元，并對熱障涂層體系破壞過程中一個