基于ANSYS參數化語言Al2O3-Ni功能梯度涂層結構設計.pdf

1、陶瓷-金屬功能梯度涂層結構以其耐磨、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異的多功能特性在航空航天、生物醫(yī)療、機械工程等領域有著十分廣泛的應用。業(yè)界對功能梯度涂層結構的設計分析還在初步階段，系統(tǒng)研究還不夠完善，缺乏一套完整實用可行的功能梯度涂層結構設計方案。因此根據實際工況需求，通過ANSYS參數化語言(APDL)建立不同工作環(huán)境下的模型并進行仿真分析很有必要。以耐磨、耐高溫且耐腐蝕的Al2O3-Ni功能梯度涂層結構作為研究對象，運用控制變量法進行對比運算

2、分析，最后得到三種具體工況下的最優(yōu)Al2O3-Ni功能梯度涂層結構。
　　建立赫茲接觸分析模型、純熱應力分析模型及熱-接觸耦合模型。分析功能梯度結構在不同工況條件下對各應力大小及分布的影響時，以最大剪切應力不發(fā)生在表層耐磨層并遠離陶瓷-金屬界面層，同時梯度層內剪切應力變化平緩，且以剪切應力及Mises應力最小為評判準則來進行Al2O3-Ni功能梯度涂層結構的設計。
　　在赫茲經典純接觸情況下，通過施加100N集中力載荷或者0

3、.001mm縱向位移載荷在小球中心處，運算分析得到如下結論：耐磨層厚度、梯度層厚度、梯度層層數以及梯度結構形式都會影響最大Mises應力的大小及位置，但影響力度很小，不是很明顯；最后得出氧化鋁耐磨層厚度30μm、梯度層厚度60μm、梯度層層數10層、梯度層結構形式P=0.25的結構模型能有效達到減緩應力突變、控制最大Mises應力遠離表層耐磨層。
　　在純熱應力情況下，將模型整體從室溫（293K）加熱到673K，分析得到結論：采用

4、梯度結構可有效改善因溫度變化引起涂層結合界面上的剪應力突變；當氧化鋁耐磨層厚度為0.2mm時，采用中間層為8層、梯度層厚度在2.0mm的線性梯度結構就能大幅降低結合界面上的剪應力突變，最大剪應力突變下降40％以上。
　　在熱-接觸耦合情況下，將模型從室溫(293K)緩慢加熱到高溫(673K)，同時在小球中心施加0.005mm的縱向位移載荷，最后得到分析結論：氧化鋁耐磨層厚度為0.2mm時，采用中間層為8層、梯度層厚度在4.0mm的

5、線性梯度結構就能大幅降低結合界面上的剪應力突變，同時使得最大剪切應力遠離陶瓷-金屬界面處，并且Mises應力峰值與沒有梯度層相比下降了40%。
　　這三個模型彼此獨立且相互補充。在復雜多變的實際現(xiàn)場，對于不同的工況要求，只需要根據相應的條件找到最佳的分析結果模型，然后針對性的去制造最優(yōu)的功能梯度涂層結構。所有模型結構和屬性都是通過參數化語言進行封裝，并能通過改變參數來進行其他功能梯度涂層結構的設計分析，具有一定的代碼移植性和靈活性