动力机械应用功能梯度材料寿命评估与优化研究

【摘要】：能源行业大量的动力机械工作在高温环境,温度的提高对金属材料的性能产生比较大的影响,限制了该行业许多有效提高经济性的方法和手段,比如,对于火力发电,提高主蒸汽的参数是提高火电机组热效率的有效手段,目前对于参数的提高主要是针对压力,已经达到超临界以上,而目前主蒸汽温度一般限制在620℃以下,该行业将来的一个重要发展方向是依靠研究耐高温性能材料来提高温度,其中,功能梯度材料是首选。功能梯度材料是具有使用功能、适应环境和可控的先进材料,具有传统复合材料无法比拟的诸多优点,随着制造成本的降低,可以预见,在不久的将来在不同行业都会有很好的应用。本文从实际应用出发,对复杂形状功能梯度材料结构在复杂边界条件和载荷下温度、应力分布和寿命损伤评估问题做了分析和研究。 由于工作在高温环境下,在考虑物性参数对温度的依赖条件下,首先,对特定边界条件和组分空间分布的功能梯度材料有限长圆柱内温度场和应力场进行了解析求解,为近似求解提供标准。接下来,对复杂形状功能梯度材料结构内温度场和应力场进行近似解析的计算,算例分析表明,用提出模型计算结果与有限元计算结果吻合程度较好。为获得符合工程实际且相对准确边界条件,利用反问题对对流换热系数进行参数识别,在获得温度场和应力场信息后,研究了材料结构损伤机理和损伤模型。 由于目前功能梯度材料尚未在工程实际中广泛应用,为验证和推广本文提出模型和方法,本文分析了动力机械目前大量使用的作为功能梯度材料退化形式均匀复合材料温度场和应力场计算问题,包括在第三类边界条件下有限长圆柱内温度场和应力场进行了解析求解,复杂形状三维结构内温度场和应力场进行近似解析的计算,以实际设备为对象,用该方法与有限元方法分别进行计算,结果表明提出模型具有较理想精度。在此基础上,开发出一套转子热应力和疲劳寿命在线监测系统并成功在电厂中投运,取得了较好作用和经济效益,为功能梯度材料在动力机械中应用提供了有益的分析和探索。