基于近场动力学理论的热障涂层热冲击开裂行为

为研究热障涂层热冲击后损伤行为,设计并完成了陶瓷基热障涂层(TBC)的热冲击试验,研究了热障涂层损伤规律,分析了热冲击温度对损伤的影响。基于近场动力学(PD)理论,推导了热障涂层的热力耦合计算列式,编程计算了热障涂层的温度响应和裂纹扩展过程,分析了冲击温度对热障涂层损伤的影响。结果表明：纵向裂纹从陶瓷层表面萌生,沿厚度方向扩展到陶瓷层/粘结层界面附近,部分裂纹出现分叉和转向的现象,形成了与界面平行的横向裂纹;随热冲击温度提高,涂层中纵向裂纹萌生时间提前且数量增加,纵向裂纹数量在0.50 s时达到峰值。近场动力学方法可较好地捕捉热障涂层内部纵向裂纹和横向裂纹的萌生与扩展现象,且裂纹位置、裂纹形式及不同参数对涂层损伤的影响规律与试验符合较好。     

稳态热载荷作用下热障涂层结构界面断裂研究

针对陶瓷层与黏结层构成的双层热障涂层结构存在单边界面裂纹的情况,利用虚拟裂纹闭合技术(VCCT)计算了稳态热载荷作用下结构的能量释放率,根据计算结果研究了单边界面裂纹的扩展行为.给定结构的温度边界条件求解得到稳定温度场,并以此作为结构的热载荷,计算能量释放率时采用随温度变化的材料参数.计算结果显示,在给定条件下,界面裂纹起裂后结构总的能量释放率大于界面断裂韧度,裂纹将进行失稳扩展;在裂纹扩展至接近自由端面时总能量释放率迅速减小并降到界面断裂韧度以下,裂纹不扩展.分析表明,处于高温稳态热载荷条件下的热障涂层系统,不会发生陶瓷层彻底剥落的失效现象.      

热载荷下热障涂层表面裂纹-界面裂纹的相互作用

针对热障涂层在热循环载荷下陶瓷层表面和氧化层/黏结层界面形成裂纹而导致涂层失效的问题,采用扩展有限元和内聚力单元建立陶瓷层表面裂纹与氧化层/黏结层界面裂纹相互作用的有限元模型,得到不同裂纹附近应力分布和开裂程度,分析了这2种裂纹之间的相互影响,结果表明:表面裂纹对界面裂纹影响较大,而界面裂纹对表面裂纹影响较小;氧化层几何参数以及材料参数对2种裂纹演变的影响研究结果表明:氧化层正弦幅值和厚度主要影响界面裂纹,在热载荷下,氧化层越粗糙,界面裂纹扩展速度越快。黏结层弹性模量主要影响界面裂纹扩展程度,而陶瓷层弹性模量主要影响表面裂纹扩展程度,对界面裂纹间接地产生较大影响。     

TBC界面裂纹K因子的有限元求解方法

本文针对由陶瓷层和粘结层构成的热障涂层(TBC)双层材料结构,探讨了应用裂纹面位移数据及J积分计算分析陶瓷层/粘结层界面裂纹应力强度因子的有限元方法。考虑了拉伸及热应力两种载荷情况。在传热分析时,考虑了界面裂纹对传热的影响。对于这类双材料界面裂纹,应力强度因子是型和型裂纹复合的,它包括应力强度因子的模和相位角。根据所得的结果比较。      

电子束物理气相沉积热障涂层陶瓷层微裂纹形成机理的研究

采用电子束物理气相沉积方法制备热障涂层，对其在热循环过程中陶瓷层产生的裂纹进行了观察。结果表明，陶瓷层中的裂纹起源于陶瓷层与金属粘结层的界面处，该处存在着不同于界面其他处的氧化物。应力计算结果表明，陶瓷层中产生的微裂纹不仅仅是陶瓷／金属界面间的热应力所致，还与产生的氧化物的种类有着密切的关系。     

热载荷下热障涂层表-界面裂纹间的相互影响

针对高温热载荷条件下APS制热障涂层裂纹失效问题,基于涂层系统热弹、热弹塑性本构关系,考虑陶瓷层/氧化层/粘结层界面凹凸形貌,依据表、界面裂纹位置、性质不同,分别运用断裂力学和损伤力学理论建立裂纹演化模型,结合围线积分和内聚力单元法,分析了热载荷下表、界面裂纹断裂参量及开裂状态,研究了陶瓷层表面裂纹与粘结层/氧化层界面裂纹间的相互影响,揭示了热、力、化多场耦合下的裂纹失效机理。结果表明,表面裂纹大幅改变界面微区域的应力分布状态,靠近界面时能使界面裂纹扩展程度整体增加20%,且相邻凸峰处开裂非均匀性可达81%,表面裂纹断裂参量主要受多层结构热失配及缺陷主导,界面裂纹对其影响相对较小,分析结果与试验结果一致。      

316不锈钢/WC-Co涂层在锌液中的腐蚀

研究了经高速火焰喷涂(HVOF)的316不锈钢WC-Co涂层在锌液中的腐蚀行为,包括腐蚀速度、界面组织形貌和成分的变化.结果表明,WC-Co涂层在锌液中的腐蚀表现为沿裂纹的腐蚀.涂层中的缺陷造成裂纹源,在锌液和热喷涂过程留下的残余热应力的作用下,发生裂纹扩展,形成沿裂纹的腐蚀.铬和铝的扩散能力都比锌强,在产生裂纹的初期,铬和铝将优先锌扩散到裂纹中.如果适当改善喷涂工艺,增加涂层的致密度,可以延长涂层的使用寿命.     

涂层对3D SiO2/Si3N4复合材料力学性能的影响

采用有机先驱体真空浸渍裂解法制备了三向石英纤维编织体/涂层/氮化硅复合材料.采用SEM、电子拉伸试验等测试手段研究了涂层对3D SiO2/Si3N4复合材料力学性能的影响.结果表明:保护涂层可明显改善纤维与氮化硅的界面结合性能,使复合材料的拉伸强度、断裂韧性得到显著提高,拉伸强度从无保护涂层的5.1 MPa提高到有涂层的120 MPa;裂纹扩展和断口分析表明,复合材料的强韧化机理为纤维的拔出、脱粘和诱导裂纹偏转.     

等离子涂层热疲劳失效模式及失效机理研究

开展了等离子涂层构件热疲劳实验研究,对失效过程及失效模式进行考察,分析了对失效起主导作用的应力分量.针对陶瓷层材料引入粘塑性本构模型,对涂层的热疲劳进行数值模拟研究.分析表明,氧化层厚度为2 μm时,陶瓷层波峰位置容易萌生Ⅰ型横向裂纹,界面中部偏上位置容易萌生Ⅱ型横向裂纹;氧化层厚度为8 μm时,陶瓷层内部法向应力主导横向裂纹的扩展;不同厚度的氧化层内部将形成较高的应变能密度.给出了等离子涂层内部裂纹形成过程及机理.      

Al2O3／3wt％TiO2爆炸喷涂层的纳米压痕力学特性

研究了Al2O3/3wt%TiO2爆炸喷涂层的微观结构特征和纳米压痕力学特性.涂层的纳米压痕力学性能具有明显的各向异性行为和离散性.涂层表面比断面具有更为优良的抵抗外加负载和卸载后良好的弹性恢复的能力.表面和断面平均硬度分别为10.3GPa和2.9GPa,而表面和断面平均弹性模量分别为170.7GPa和234.5GPa.涂层各向异性的力学性能是由于爆炸喷涂的投影本质导致涂层断面的片层结构和平行于基体界面的裂纹形成.涂层断面比表面存在着尺度分布较宽的孔洞、裂纹等缺陷.     

空间探索用梯度密度气凝胶的合成与应用进展

气凝胶是空间探索领域的关键功能材料.系统介绍了单一密度气凝胶和梯度密度气凝胶材料的分类、合成方法、复合工艺、特殊性能及其在空间探索领域的应用.其中,梯度密度气凝胶材料的合成是国际上的技术难点,笔者结合自身研究将其复合方式分为早期方法、分层粘贴法、逐层凝胶法和梯度溶胶共凝胶法,揭示了梯度气凝胶应遵循由单位深度的低差异到高...     

Implementation of the simultaneous perturbation algorithm forstochastic optimization

The need for solving multivariate optimization problems is pervasive in engineering and the physical and social sciences. The simultaneous perturbation stochastic approximation (SPSA) algorithm has recently attracted considerable attention for challenging optimization problems where it is difficult or impossible to directly obtain a gradient of the objective function with respect to the parameters being optimized. SPSA is based on an easily implemented and highly efficient gradient approximation that relies on measurements of the objective function, not on measurements of the gradient of the objective function. The gradient approximation is based on only two function measurements (regardless of the dimension of the gradient vector). This contrasts with standard finite-difference approaches, which require a number of function measurements proportional to the dimension of the gradient vector. This paper presents a simple step-by-step guide to implementation of SPSA in generic optimization problems and offers some practical suggestions for choosing certain algorithm coefficients     

航空Ti600合金与其梯度功能修复涂层的腐蚀特性对比分析

为修复损伤的 Ti600合金结构件,开发新型耐蚀涂层,应用 Nd:YAG 激光在 Ti600表面制备了钛基梯度功能涂层材料(Functional Gradient Materials,FGM),并测试其耐腐蚀性能.结果表明,Ti600基体和 FGM 耐蚀性均较好;在微观上均呈现局部腐蚀的特性,表面呈腐蚀微坑形貌;极化电位较低;自腐蚀电流小,在30~90 nA/cm2之间.FGM 耐蚀性能较 Ti600得到提高,腐蚀电流为 Ti600的72%     

A simplified theory of ELF propagation in the Earth-ionosphere transmission line

An approximate theory of ELF propagation in the Earth-ionosphere transmission line is developed by combining the reflection theory of Booker and Lefeuvre (1977) with Greifinger and Greiferinger's (1978, 1979) treatment of the effect of ionization below the level of reflection. The theory allows for the influence of the Earth's magnetic field, for reflection from the gradient on the underside of the D region (or, at night, of a ledge below the E region), for reflection from the gradient on the underside of the E region, and for reflection from the gradient on the topside of the E region. The procedure is to compare local vertical gradient with local wavelength, thereby classifying altitude into intervals where the gradient is high and ones where it is low. Where the gradient is low, the phase-integral treatment is adequate. An interval where the gradient is high may, to a first approximation, be replaced by a discontinuity. The amount of the discontinuity is the difference between the refractive indices at the top and bottom of the interval of high gradient, judged in relation to local wavelength. It is then a matter of combining reflections from the several discontinuities. This requires calculation of the complex phase-changes between the discontinuities. But these are the intervals where the phase-integral treatment is available. To a beter approximation, there is a non-zero phase-change associated with an interval of high gradient. The method for incorporating this is described.     

化学液相热梯度致密C/C技术探索

简要分析了化学液相热梯度致密C／C的沉积过程及机理，该工艺用一种液态碳源作基体前驱体，采用梯度加热法，可实现快速致密。结果表明，与传统化学气相致密法相比，该技术能在很短时间（2.5h）内能迅速提高基质材料的密度。     

梯度磁场推进扩散火焰燃烧的实验研究

用数字粒子图像测速技术(DPIV)测量了扩散火焰周围气流在梯度磁场作用下的速度分布,并与无磁场作用下的速度分布比较。结果表明当梯度磁场作用于扩散火焰时,火焰周围气体运动被加速,火焰的形状变得尖锐,亮度增加。实验定量地验证了梯度磁场可以诱导气体对流的发生,从而进一步推进扩散火焰燃烧反应。     

温度梯度对平板边界层转捩影响的数值模拟

为了研究温度梯度对边界层转捩的影响,在对有/无压力梯度的T3系列平板转捩实验进行数值模拟获得满意结果的基础上,对原型实验进行重新设计,以在平板边界层内形成不同温度梯度并进行数值模拟。计算结果表明随着温度梯度的增大,转捩位置向下游推延发生,平板相同位置边界层的形状参数和壁面切应力系数也相应大幅增高,边界层湍流脉动得到抑制,这是因为温度梯度形成的密度分层,湍流能量为了克服因为密度分层形成的法向浮力而被逐渐耗散,但是温度梯度对转捩影响与其它流动特性对转捩的影响相比较弱。     

金属梯度多孔夹芯板振动特性分析

金属梯度多孔材料芯层的胞孔壁厚度及半径沿芯层厚度方向逐渐变化,使得芯层的材料参数如密度和弹性模量等逐渐变化;采用金属梯度多孔材料代替传统均质多孔芯层会影响夹芯板的振动特性。基于高阶夹芯板理论且考虑梯度多孔芯层密度和弹性模量的耦合影响,建立了复合材料面层-金属梯度多孔夹芯板的振动方程。分析了3种密度的梯度芯层:单向分布、正梯度对称分布和负梯度对称分布对夹芯板固有频率的影响;最后讨论了3种梯度夹芯板在相同三角脉冲载荷作用下的振动响应。计算结果表明梯度芯层密度对称分布的夹芯板固有频率大于单向分布的夹芯板固有频率。     

速度梯度对圆柱探针测量的影响及修正

圆柱探针在测量有横向速度梯度的流场时,会得出偏离真实值的结果.通过数值与实验研究,发现此影响主要为对来流方向的测量偏差,与真实值的差异为向低速区的一个偏差角;另外一个影响是使测得的速度值偏大一点.通过详细的数值模拟得出了偏差角及速度大小与来流速度梯度之间的关系,并在实验中得到了验证.最后将此修正方法用于叶栅实验测量数据,得到了较好的修正效果.      

基于Kriging模型梯度解析解的改进一次二阶矩方法

改进一次二阶矩（AFOSM）法是一种基于功能函数梯度的结构可靠性分析方法,鉴于其对隐式函数的梯度较难求解,提出了一种基于Kriging模型梯度解析解的AFOSM方法,利用Kriging代理模型的解析表达式推导得到功能函数对输入变量的梯度解析解,为AFOSM中设计点的确定提供高精度的梯度信息。通过Kriging与AFOSM的结合,很好地解决了基于有限元模型的隐式情况下梯度计算量相当大、可靠性分析难的问题。数值与工程算例验证了所提Kriging梯度解析解的较高精确性,同时验证了所提基于Kriging解析解的AFOSM结构可靠性分析方法的正确性与较高精度。