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带隔热涂层构件温度和应力分析边界元法及其应用

董曼红  
【摘要】: 本文围绕带热障涂层构件层间应力及断裂特性分析边界元法展开。 采用薄体分析边界元法进行多层结构应力分析是国际90年代末最新技术。 本文将该方法推广应用于可以考虑温度及离心载荷情况下的多层结构分析,以便 应用它分析航空发动机带热障涂层构件(叶片)。为提高计算效率,本文将温度 及离心力体积积分转换为边界积分,从而不需要在域内划分单元就可分析发动机 旋转、高温带涂层零部件的热强度问题。通过对现有近奇异积分处理方法的改进, 可有效处理曲二次边界元上的近奇异积分,从而提高了涂层结构边界元法的精度 及效率。 为配合热障涂层结构热弹性分析,文中同时给出了带热障涂层结构温度场分 析边界元法公式及程序。利用它可以计算出涂层构件各层边界点的温度及温度梯 度。 文中还给出带热障涂层构件界面裂纹断裂特性分析边界元法公式、裂尖元近 奇异积分处理方法,以及界面裂纹应力强度因子位移法计算公式,并调试了有关 子程序。给出的公式可供下一步涂层界面裂纹断裂特性分析边界元法研究工作参 考。 典型算例表明,本文方法及程序可有效的计算在温度场及离心力作用下的涂 层构件层间应力问题,且具有精度及效率高的特点。文中最后以热障涂层涡轮叶 片为例,介绍了如何采用本文提出的边界元法设计、分析带涂层涡轮叶片,并讨 论了基体、陶瓷涂层和粘接层材料特性(热膨胀系数、弹性模量及泊松比)对层 间应力的影响,及涂层厚度对涂层隔热效果及层间应力的影响。 用本文方法还可进行复合材料细观力学分析,以研究复合材料破坏机理和确 定复合材料宏观材料特性。


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