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SiC/Al梯度功能材料的高温断裂性能与优化分析

王淑军  
【摘要】: 现代航空航天工业对超高温耐热材料有极高的要求:一方面需要优良的耐热隔热性能以承受高温和热冲击,另一方面又能耐低温且导热性能良好,以提供足够的强制冷却作用;同时还要求材料具有优良的强韧性以承受机械载荷和温度梯度引起的热应力的作用,以达到一定的耐久性和使用寿命。梯度功能材料(Functionally Gradient Materials,简称FGM)就是在这样的需求背景下产生的。 本文以地空导弹型号整体燃气舵用SiC/Al梯度功能材料为研究对象,以高温实验为主。首先采用激光云纹干涉法,对SiC/Al FGM紧凑拉伸试件在室温条件下的平面应变断裂问题进行实验研究,计算实验断裂韧度;并应用Ansys软件对FGM断裂问题进行仿真计算;其次对SiC/Al FGM紧凑拉伸试件及FGM燃气舵样件在热载荷、机械载荷以及两者的共同作用下的应变情况,采用实验和仿真计算结合的方法进行研究,分析FGM紧凑拉伸试件和燃气舵样件的应变特性以及载荷耦合作用对结构应变分布的影响;并进一步计算FGM的高温断裂韧度参数;最后,在已进行相关实验基础上使用Ansys对SiC/Al FGM进行优化设计,计算最优化设计梯度分布指数P,同时讨论组分材料对优化结果的影响。 本文立足于燃气舵用梯度功能材料SiC/Al,进行了有新意的实验研究工作,研制了相关的高温云纹光栅的制作工艺,将激光云纹干涉法应用于金属陶瓷复合体的测试中;用Ansys成功地对试件的裂纹扩展行为进行预测,并进一步提出了裂纹扩展参数;对燃气舵用SiC/Al FGM进行两个方向优化分析,得到优化方案。


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