TiAIN复合涂层的应力分析与研究

采用有限元软件ANSYS,针对TiAIN涂层形成过程进行了分析,并把仿真结果与采用曲率法测定的涂层应力进行了比较,验证了该分析方法和仿真模型的正确性及仿真结果的可靠性;进而应用该分析法仿真计算了曲率法不适用的一个典型模型,结果表明,由于涂层和基体的热膨胀系数不同,使得涂层靠近边缘处的应力较小,而在涂层中心位置应力达到最大值,且随着涂层厚度的增加,涂层的应力呈下降趋势,有效地防止了涂层与基体的剥离,具有重要的现实意义.     

钛合金表面等离子喷涂ZrO2-NiCoCrAIY梯度涂层的抗热震行为

ZrO2-梯度涂层的成分沿厚度方向呈连续梯度化分布,提高了涂层与基体的粘结强度和涂层的内聚强度,其抗热震性能优于双层涂层.在较大热冲击应力作用下,梯度涂层整体自基体表面剥落而失效;在较小热冲击应力作用下,由于NiCoCrAIY底层与TC4合金基体发生了热相互作用,改善了涂层与基体的结合状况,梯度涂层纵向断裂并部分自基体表面剥落而失效.     

钛合金表面等离子喷涂ZrO2—NiCoCrAlY梯度涂层的抗热震行为

ＺｒＯ２－ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ梯度涂层的成分沿厚度方向呈连续梯度化分布，提高了涂层与基体的粘结强度和涂层的内聚强度，其抗热震性能优于双层涂层。在较大热冲击应力作用下，梯度涂层整体自基体表面剥落而失效；在较小热冲击应力作用下，由于ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ底层与ＴＣ４合金基体发生了热相互作用，改善了涂层与基体的结合状况，梯度涂层纵向断裂并部分自基体表面剥落而失效。     

纤维增韧陶瓷基复合材料的比例极限应力与残余热应力关系

从细观力学角度分析并建立了纤维增韧陶瓷基复合材料从制备温度冷却到室温过程中产生的残余热应力与复合材料的比例极限应力的关系模型。该模型表明,减少复合材料的残余热应力或提高复合材料的纤维与基体的模量比,均可提高复合材料的比例极限应力。通过单调拉伸实验测试了先驱体浸渍裂解法(PIP)制备的2D SiC/SiC复合材料的比例极限应力,并采用文中建立的比例极限应力与残余热应力关系模型,计算出复合材料SiC基体的残余热应力为-19.5 MPa。分析表明,该结果是合理的。此外,引用了公开文献报道的5种复合材料体系数据,用于验证文中所建立的比例极限应力与残余热应力关系模型的适应性和可靠性,计算结果与实验结果最大误差为18.6%,表明该模型具有较好的适应性和可靠性,可为纤维增韧陶瓷基复合材料的研究提供新思路。     

新型耐高温纳米防护涂料研究

以环氧树脂化学改性有机硅树脂为基体材料，纳米粒子为填料并采用了常温固化体系，研制了耐高温防护涂层。该涂层固化后的热学、力学性能良好，各项测试结果完全满足指标要求。该耐高温涂料可采用喷涂法成型，工艺性能良好，操作简单。     

金属材料表面涂层损伤的非线性超声评价

提出了一种金属材料表面涂层损伤的非线性超声评价方法。表面涂层的损伤以及涂层与基体材料间的界面粘接状况与超声信号的非线性效应密切相关。将存在表面涂层的AZ31镁铝合金试件加载到不同的拉伸载荷后,利用RitecSNAP-0.25-7-G2非线性超声测试系统激发和接收Rayleigh表面波,通过实验测试在不同载荷作用后涂层试件的声学非线性系数。研究结果表明,在应力不超过某一极限值的情况下,虽然不能观察到试件表面涂层外观的明显变化,但通过非线性超声实验测试得到的声学非线性系数随着加载应力的增加而不断增加。因此,对具有表面涂层的结构来说,可利用声学非线性系数对其表面涂层的损伤进行非线性超声无损评价。     

镁合金表面冷喷涂铝合金与铝基复合涂层组织和耐蚀性研究

为提高镁合金表面耐蚀性,用冷喷涂技术在ZM5镁合金表面制备AA5083铝合金涂层与AA5083/20vol.%Al_2O_3铝基复合涂层。采用光学显微镜、扫描电镜(SEM)和显微硬度测试仪等分析手段研究涂层形貌组织和性能,并结合电化学测试技术对涂层的抗腐蚀性能进行了评价。评价结果表明:冷喷涂铝合金涂层组织致密,铝基复合涂层中Al_2O_3与AA5083颗粒分布均匀;2种涂层显微硬度均大于ZM5镁合金基体且抗腐蚀性能优于ZM5镁合金,腐蚀电位相比镁合金基体有所提高,腐蚀电流相比镁合金基体降低一个数量级。利用冷喷涂技术制备的AA5083铝合金涂层与AA5083/20vol.%Al_2O_3铝基复合涂层,组织致密,涂层硬度较高,均可显著提高镁合金表面耐蚀性。     

低温推进剂复合材料贮箱基体开裂预测方法

基于六边形单胞模型,构建了宏细观结构力学响应场间的关联矩阵,建立了低温推进剂复合材料贮箱结构的宏细观一体化分析方法,采用工程常用的能够预测不同失效模式的宏细观强度准则,对机械和温度载荷下复合材料层合板的基体开裂进行预测。结果表明:在机械载荷下,与试验数据相比,宏观Hashin准则、改进的宏观Tsai-Wu准则、细观最大应力准则和细观Hashin准则均具有良好的预测精度。但在温度载荷下,由于考虑了组分材料间热力学性能的不匹配,使用细观强度准则与宏观强度准则预测的结果相比具有一定差异。通过对不同载荷情况下基体开裂预测结果的分析,提出了采用细观最大应力准则作为基体开裂判据,同时结合考虑组分材料热力学性能差异影响的宏细观一体化分析方法,可以有效地对低温推进剂复合材料贮箱结构的基体开裂进行预测。     

碳纤维增强树脂基复合材料固化残余应力评估方法研究现状

在碳纤维增强树脂基复合材料设计及制备阶段，对成型过程残余应力进行准确的测试、评估，可为结构优化、工艺参数制定、模具参数选择等提供理论依据，也为后续应用阶段残余应力对复合材料构件性能结构稳定性影响研究提供基础。文中概述了碳纤维增强树脂基复合材料固化残余应力的形成机制，介绍了测试方法以及仿真模拟的原理、特点及在碳纤维增强树脂基复合材料残余应力评估中的应用，对仿真所需的主要性能参数的数值、测试方法进行了总结，基于仿真方法的多种优势，认为该方法为残余应力评估重点发展方向，提出该方法未来的研究重点，为进一步优化热物理、力学等性能时变特性模型，提高仿真模型的准确性，并将性能测试方法标准化；建立各类树脂、纤维仿真数据库；进行各类型复合材料构件的残余应力仿真结果准确度的验证研究。     

CVD-PyC界面层和SiC涂层厚度数学计算模型的建立与验证

建立了合适的化学气相沉积碳界面层厚度数学计算模型和SiC涂层厚度数学计算模型,并通过工艺实验对该模型进行了验证。结合实验结果分析,发现通过该模型计算出的化学气相沉积碳界面层厚度和SiC涂层厚度与SEM照片分析结果基本接近,因此可利用上述模型估算出C/SiC复合材料产品的化学气相沉积碳界面层厚度和SiC涂层厚度,快速评估C/SiC复合材料产品化学气相沉积质量能否满足实际工况使用要求。     

壳体外防热设计计算及风洞试验研究

基于ANSYS/Workbench平台,二次开发了固体火箭发动机壳体外防热计算的一维程序算法,开展某发动机外防热仿真计算,获得了壳体与涂层间界面最高温度,对比相应风洞试验测试结果,验证了算法的正确性。最后,建立了某固体火箭发动机壳体三维参数化模型,应用该算法,选取外防热涂层厚度作为设计变量,以壳体与涂层间界面最高温度为目标函数,联合ANSYS/Workbench中目标驱动优化功能(Goal Driven Optimization-GDO)进行设计计算,实现了壳体外防热涂层厚度设计的自主择优。     

复合固体推进剂双折线脱湿损伤模型参数影响分析

为分析双折线损伤模型参数对复合固体推进剂细观损伤及宏观非线性力学性能的影响,采用分子动力学方法建立复合固体推进剂颗粒夹杂模型,根据Surface-based cohesive方法,在高氯酸铵(AP)颗粒与基体之间的界面处设置接触损伤。利用有限元方法对具有不同损伤参数的颗粒夹杂模型进行计算,并对比数值仿真结果。结果表明,损伤起始应力对复合固体推进剂抗拉强度、最大延伸率有较大的影响;界面初始刚度在一定程度内的变化,对复合固体推进剂宏观力学性能及细观损伤形貌影响较小;界面失效距离主要影响复合固体推进剂的最大延伸率。     

基于实测数据的卫星公路运输动力学特性仿真分析方法

为解决卫星运输跑车试验耗时耗力的问题,采用仿真方法研究了卫星在公路运输过程中的动力学特性。先基于大量实测数据,建立仿真分析输入谱;再通过Patran/Nastran有限元软件建立包装箱–卫星的联合仿真模型,对经过组合体模态试验修正后的模型进行了模态分析和随机振动响应分析,得到了模型的前6阶模态振型以及关键部位的加速度和应力响应RMS值。结果表明：联合仿真模型各部位的应力RMS值远低于材料屈服极限,卫星结构具有足够的安全裕度。该仿真分析方法可以准确有效地分析卫星在运输过程中经受的力学环境,为卫星结构及包装箱设计提供依据。     

基于仿真计算的推力架传动轴损伤分析

某水平推力架传动轴出现断裂故障,根据水平推力架结构组成和工作原理对其传动轴损伤机理进行分析,可得出该断裂为低周疲劳所致.基于ANSYS Workbench平台建立传动轴的模型,对传动轴进行强度分析,给出工作载荷下的应力强度、应变及变形计算结果.通过计算结果分析传动轴薄弱部位,得出与传动轴失效部位状态一致.对其进行改进设计,改进后基于强度分析的一种损伤分析方法对传动轴进行损伤仿真分析,得出了使用寿命次数、安全系数和损伤系数的仿真计算结果.通过对照改进前后仿真数据,结果表明改进后的传动轴安全性提高,强度提高,同时结合应力与屈服强度公式计算出传动轴的许用应力满足传动轴设计要求.     

带有SiC涂层的C/C复合材料的氧化行为

采用包埋法在C/C复合材料表面制备了SiC高温防氧化涂层。利用SEM和XRD等方法对涂层的微观形貌和晶相组成进行了观察与分析,并对带涂层试样在室温~1 500℃范围内的氧化行为进行了研究。结果表明,涂层主要由β-SiC和少量的游离Si组成,涂层表面有裂纹存在,涂层与C/C复合材料基体结合良好,呈现犬牙状结合。在室温~1 500℃之间,带SiC涂层C/C复合材料的氧化行为可分为4个阶段,涂层在高温区具有较好的防氧化性能。     

C/C-Al2O3梯度功能复合材料改性研究

采用炭纤维表面涂层与基体改性方法相结合,对所制的C/C Al2O3梯度功能复合材料界面性能进行了改进。研究了增强相炭纤维与陶瓷相Al2O3的界面结合强度这一关键技术,进行了热学、烧蚀、力学性能测试和微观结构分析。结果表明,添加ZrO2对基体进行改性,使材料的强度提高了39.1%,热导率降低至0.902W/(m·K)(800℃);采用炭纤维表面SiC涂层处理能有效改善复合材料的界面性能,使材料强度提高了3倍,达到约70MPa。     

基于全域CZM的复合推进剂细观损伤与断裂研究

采用全域CZM模型模拟了复合固体推进剂从细观脱湿到基体开裂,直至微裂纹扩展汇合,最后断裂破坏的演化过程,探索了其宏观力学行为发生发展的内在原因。数值模拟结果在微裂纹的开裂特征以及推进剂的宏观应力-应变曲线等方面与试验结果吻合较好。研究结果表明,采用全域CZM模型能有效模拟复合推进剂材料细观断裂破坏过程及其宏观力学性能;通过参数反演可知混合基体的初始刚度远小于颗粒/基体界面的,而粘接强度和粘接能大于界面的,这使得基体易变形而界面先脱湿;可将推进剂受拉伸载荷的细观力学行为分为四个阶段:无损伤变形阶段、界面部分脱湿阶段、脱湿与基体开裂并存阶段、微裂纹聚合断裂阶段。     

防护涂层用聚氨酯基体树脂研究(Ⅰ)——预聚反应动力学及材料性能

用在线红外研究了端羟基聚丁二烯-丙烯腈多元醇(HTBN)与甲苯二异氰酸酯(TDI)反应生成端异氰酸酯基丁腈羟预聚体(ITBN)的动力学过程,并考察了预聚体物性以及固化后涂层的力学性能,该预聚体可作为固体火箭隔热涂层的一种新型基体树脂。研究表明,不同反应温度会影响预聚反应所形成的氨基甲酸酯中羰基的氢键化程度,低于80℃时,氢键氨基甲酸酯和不完善氢键氨基甲酸酯基团会随温度升高而增加;采用数理统计方法筛选出的Hyperbolic函数,可拟合实验数据,并可用来对比不同温度时的反应动力学特性,70～80℃是进行HTBN/TDI预聚反应的最适宜温度条件;通过该预聚体制备的涂层基体具有良好的工艺和力学性能。     

复合材料裙级间连接结构强度预测

针对复合材料裙级间螺栓-柱销连接结构试件,建立了三维有限元逐渐损伤模型。该模型可模拟试件损伤起始、发展及最终破坏的整个过程,并能较好预测试件破坏的模式和强度。该模型包括应力分析、失效判定准则和材料性能退化3个步骤,采用该模型对试件进行了损伤扩展分析和强度预测,计算结果与实验结果较吻合。     

考虑粘弹性泊松比的固体推进剂蠕变型本构模型

在粘弹性材料中,泊松比是时间和温度相关的函数。提出了一种新的考虑时间和温度相关泊松比的推进剂蠕变型本构模型。为了建立合适的本构模型,采用拉普拉斯变换方法对经典蠕变型本构模型进行了改进,将时间无关的弹性泊松比变换成时间相关的粘弹性泊松比。基于时温等效原理,将泊松比的时间和温度相关特性利用WLF方程进行建立联系。基于蠕变型本构模型的增量形式将该模型开发到有限元程序MSC.MARC中。针对星孔发动机点火增压工况进行了结构完整性分析。仿真结果表明,粘弹性泊松比对结构的应力应变影响介于初始和平衡泊松比对结构分析的影响之间。并且该蠕变型本构模型与松弛型本构模型的分析结果一致。