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陶瓷/金属梯度热障涂层的分析与设计系统的研究

胡春枝  
【摘要】: 随着船舶对内燃机的强载度要求的不断提高,内燃机可靠性问题日益突出。为了提高内燃机的经济性和可靠性,在燃烧室部件的表面喷涂陶瓷热障涂层来承担高的热负荷和机械负荷。对于金属基体上的陶瓷热障涂层(TBC),由于陶瓷涂层与金属基体两者之间的热膨胀系数相差较大,造成较大的热应力从而导致涂层容易脱落。为了缓和两者之间的热应力,将功能梯度材料(FGM)的概念引入热障涂层。由于梯度结构实现了金属到陶瓷的连续过渡,从而消除了两者热膨胀系数不匹配造成的过大的热应力。这种热应力缓和型的功能梯度材料称为陶瓷/金属梯度热障涂层。本文对陶瓷/金属梯度热障涂层进行了理论分析、数值计算和优化设计,并编制出了相应的计算程序,最终开发出了界面友好、符合软件工程规范的陶瓷/金属梯度热障涂层的分析与设计软件(CCDS)。 本文所建立的多层平板模型和多层圆筒模型由金属基体层、过渡金属层、陶瓷/金属梯度层和陶瓷工作层四层组成,其中梯度层的梯度结构模型分别采用多项式和幂函数两种分布函数。针对陶瓷/金属梯度热障涂层的温度场和热应力场分别导出了解析解和有限差分解的计算公式,编制了相应的计算程序,并对已有的有限元分析程序(SAAS)作了一些改进。为了尽可能地减小陶瓷/金属梯度热障涂层内的热应力,对涂层结构进行了基于SAAS的遗传算法或ANSYS参数化设计语言(APDL)的优化设计。 CCDS软件主要是针对陶瓷/金属梯度热障涂层的传热和热应力进行分析以及对涂层方案进行优化设计。CCDS软件是以C++Builder5.0作为开发工具,符合软件工程规范并具有友好的用户界面。该软件主要由三个功能模块组成:前处理模块、分析模块及后处理模块。前处理模块完成了初始数据的输入;分析模块实现了用不同的算法对涂层的温度及热应力进行计算,这些算法包括解析法、有限差分法及有限元法;后处理模块实现了计算结果的可视化。另外,该软件还附有优化设计模块和专家系统模块。优化设计模块实现了对陶瓷/金属梯度热障涂层进行基于SAAS的遗传算法或ANSYS参数化设计语言(APDL)的优化设计。专家系统模块实现了对陶瓷/金属梯度热障涂层的设计提出方案和建议。 CCDS软件不仅可以用来对陶瓷/金属梯度热障涂层的温度场和热应力场进 摘要 行理论计算和数值计算,而且还可以用来对陶瓷/金属梯度热障涂层的结构进行 优化设计。对于陶瓷/金属梯度热障涂层的分析与设计,CCDS软件具有一定的 通用性和实用性。同时,对于开发类似的工程应用软件,CCDS软件也具有一定 的参考价值。


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