热防护涂层服役过程数值模拟研究

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1、专业学位硕士学位论文热防护涂层服役过程数值模拟研究NumericalSimulationResearchonThermalProtectionCoatingduringServiceProcess作者姓名：赵鹏工程领域：材料工程学号：31505018指导教师：张立文教授完成日期：2017.05大连理工大学DalianUniversityofTechnology大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研

2、究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。大连理工大学专业学位硕士学位论文摘要热防护涂层是用来保护基体材料的一种隔热涂层。在保证基体材料不受外界环境的氧化、腐蚀等破坏的同时，热防护涂层能使基体材料在更高的温度下使用，从而延长基体材料的使用寿命，因此广泛地应用在航空航天等诸多领域。随着各国高超声速飞行器研究计划的开展，热防护涂层的研制和使用成为该计划的主要研究目标之一，国内外的研究者为此做了大量工作。热防护涂层在高温环境下要承

3、受较大的温度梯度，同时涂层结构在温度的作用下会产生热应力，从而影响其使用性能，因此热防护涂层在高温环境下服役时的温度和应力响应是本文研究的重点。本文主要以超燃冲压发动机喷管部位为目标设计区，以高温综合性能良好的SiC/SiC复合材料为基体，采用MSC.Marc有限元软件建立了热防护涂层的二维轴对称模型，对典型高温环境服役过程的温度场和应力应变场进行了数值模拟研究。主要研究内容和结论如下：首先，借助于传热学和热应力的有限元理论，采用MSC.Marc有限元软件，以SiC/SiC复合材料为基体建立了热防护涂层有限元模型，模拟了涂层服役过程中的温度场和应力应

4、变场。结果表明，热防护涂层显著降低了基体温度，表现出良好的隔热效果；由于材料属性的不匹配，陶瓷层与粘结层界面及粘结层与基体界面附近的应力梯度较大；总的等效塑性应变在粘结层附近较大。然后，鉴于热防护涂层结构在重复使用过程中的不稳定性，忽略高温蠕变行为，对涂层在重复使用过程中的温度场和应力应变场进行了数值模拟研究，并对其演化规律进行了分析。结果表明，在模拟重复使用过程中，随着循环周次的增加，热防护涂层的温度不会发生任何改变，而不同位置的应力变化各不相同；发生塑性变形的位置，总的等效塑性应变随着循环周次的增加发生累积。最后，基于热防护涂层服役过程的有限元计

5、算结果，采用局部灵敏度分析方法对热防护涂层的温度场和应力场的灵敏度进行了分析。研究结果表明，温度场对陶瓷层的热导率和厚度敏感，而对陶瓷层的比热不敏感；应力场对陶瓷层的热导率、弹性模量、热膨胀系数、泊松比和厚度敏感，而对陶瓷层的比热不敏感。关键词：热防护涂层；数值模拟；重复使用性分析；灵敏度分析-I-热防护涂层服役过程数值模拟研究NumericalSimulationResearchonThermalProtectionCoatingduringServiceProcessAbstractThermalprotectioncoatingisakindo

6、finsulatingcoatingtoprotectsubstratematerial.Thermalprotectioncoatingcanprotectsubstratematerialfromoxidationandcorrosion,meanwhile,itcanmakesubstratematerialserviceinhighertemperaturesothattheservicelifeofsubstratematerialcanbeextended.Soithasbeenappliedwidelyinmanyfields,such

7、asaerospace.Withthedevelopmentofresearchprogramofhypersonicvehicle,preparationandapplicationofthermalprotectioncoatinghasbecomeoneofthemainresearchobjectives,andlotsofresearchersallaroundtheworldhavedonemassesofwork.Thermalprotectioncoatinghastobearlargetemperaturegradientunder

8、hightemperature,andthereisthermalstressinthewholecoati