熱沖擊下的陶瓷材料破裂數(shù)值分析

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1、陶瓷材料破裂過程數(shù)值分析陶瓷材料以其良好的耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)點(diǎn)，在航天領(lǐng)域、機(jī)械制造、能源、冶金等方面都得到較廣泛的應(yīng)用。在高溫條件下工作的陶瓷材料，不可避免地要承受熱沖擊的作用。但由于陶瓷材料的脆性、對(duì)缺陷的敏感性和低熱傳導(dǎo)性，使其很容易在熱沖擊的條件下產(chǎn)生破壞。因此，用陶瓷材料制造相關(guān)的熱結(jié)構(gòu)部件，必須對(duì)其在熱環(huán)境下的強(qiáng)度、剛度和熱動(dòng)力等相應(yīng)問題進(jìn)行精確分析，指導(dǎo)陶瓷材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和對(duì)其使用壽命的評(píng)估。特別是其結(jié)構(gòu)在極端條件(高溫、動(dòng)載和復(fù)雜環(huán)境同時(shí)作用)下的彈性、非彈性行為和損傷、失效機(jī)理已成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。熱沖擊時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力屬于非定常熱應(yīng)力。由

2、于溫度變化劇烈，在材料表面或內(nèi)部將產(chǎn)生高應(yīng)力，從而導(dǎo)致材料破壞。研究表明：當(dāng)物體與溫度不同的介質(zhì)突然接觸而產(chǎn)生熱沖擊時(shí)，所產(chǎn)生的最大應(yīng)力常和物體與周圍介質(zhì)問的放熱系數(shù)有直接關(guān)系。在材料領(lǐng)域里，有關(guān)熱沖擊導(dǎo)致的材料破裂問題的研究不斷涌現(xiàn)，運(yùn)用熱沖擊的相關(guān)理論計(jì)算出了存有表面裂紋的半無限大體遭受熱沖擊時(shí)裂紋附近的應(yīng)力場(chǎng)分布。張光輝等運(yùn)用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的基本理論建立了非均質(zhì)材料在熱沖擊下的耦合方程，為非均勻材料熱沖擊的研究提供了一種新的方法。近年來，考慮到提高內(nèi)燃機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，陶瓷材料的應(yīng)用研究受到重視，并利用金屬材料強(qiáng)度高、陶瓷材料耐熱性好的特點(diǎn)，將兩種材料復(fù)合而

3、成的梯度材料具有優(yōu)良的性能。但是陶瓷涂層在交變熱應(yīng)力作用下易脫落。噴涂過程中若使金屬和陶瓷的配比關(guān)系沿厚度方向逐步變化形成梯度結(jié)構(gòu)，可提高涂層結(jié)合強(qiáng)度和抗熱沖擊性能，基于此，肖金生口]等運(yùn)用有限元法對(duì)不同涂層材料在基體金屬不同的情況下承受熱沖擊的性能進(jìn)行了初步探討。其它有關(guān)陶瓷高溫性能的研究，無論是試驗(yàn)、理論、還是數(shù)值模擬方面都有很大的進(jìn)展。尤其是20世紀(jì)90年代以來，國(guó)內(nèi)外有關(guān)陶瓷熱沖擊行為的數(shù)值模擬研究有較快的發(fā)展。分析以往的研究不難發(fā)現(xiàn)，它們大多主要對(duì)陶瓷材料在熱沖擊過程中的宏觀瞬態(tài)溫度場(chǎng)和相關(guān)的熱應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析，并對(duì)由此導(dǎo)致的已有裂紋的擴(kuò)展進(jìn)行預(yù)測(cè)等，是基

4、于宏觀參數(shù)的研究。宏觀結(jié)構(gòu)的破壞是由微結(jié)構(gòu)的損傷行為及其裂紋擴(kuò)展所決定的，因此從宏觀角度和微觀角度對(duì)陶瓷材料的熱沖擊損傷行為進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)揭示其熱沖擊損傷行為的本質(zhì)有著重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。 用計(jì)算機(jī)模擬陶瓷材料的破壞過程越來越受到研究人員的重視。國(guó)外在這一領(lǐng)域的研究開始于20世紀(jì)80年代，，國(guó)內(nèi)則在20世紀(jì)90年代開始了這一方面的研究工作。20世紀(jì)90年代開始了這一方面的研究工作。在熱沖擊所導(dǎo)致的復(fù)合材料損傷破壞的數(shù)值模擬方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者也做了相應(yīng)的嘗試。但是，縱觀過去以往的研究可以發(fā)現(xiàn)，他們大多基于材料均勻、連續(xù)性假設(shè)，或者把材料視為多相材料的組合。這種方

5、法不能很好地反映材料所具有的微孔洞等結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響。雖然一些物理實(shí)驗(yàn)得出了其在某種條件下的熱沖擊破壞結(jié)果，但是不能很好地觀測(cè)由于溫度不斷變化而導(dǎo)致的應(yīng)力積累(Stressbuildup)、應(yīng)力釋放(Stressre—lease)和應(yīng)力轉(zhuǎn)移(Stresstransfer)現(xiàn)象，更不能很好地揭示其裂紋的萌生、擴(kuò)展直至貫通的整個(gè)過程，當(dāng)然也不能從這個(gè)過程中提取出有用的信息。熱沖擊破壞的本質(zhì)是非定常溫度場(chǎng)引起瞬間巨大的熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致裂紋的萌生、擴(kuò)展直至貫通，是一個(gè)從細(xì)觀損傷到宏觀破壞的過程。因此，從細(xì)觀角度出發(fā)，建立起細(xì)觀損傷到宏觀破壞機(jī)制的數(shù)值模型能更好地研

6、究陶瓷承受熱沖擊時(shí)的失效機(jī)制。關(guān)于材料破壞過程的數(shù)值模擬，唐春安教授做了大量理論和實(shí)踐方面的探索口9。21。，從細(xì)觀層次上考慮材料的非均勻性，建立了材料破壞過程分析系統(tǒng)(RFPA，RealisticFailureProcessAnalysis)，并運(yùn)用此系統(tǒng)進(jìn)行了顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料基體破壞過程的數(shù)值模擬分析研究[2引?；诖耍疚淖髡咴谠蠷FPA研究成果的基礎(chǔ)上，試圖尋求從熱傳導(dǎo)和熱一力耦合的相關(guān)理論出發(fā)，兼顧考慮陶瓷中存在的微缺陷結(jié)構(gòu)，建立一種可以模擬陶瓷遭受熱沖擊作用下的裂紋萌生、擴(kuò)展過程的數(shù)值方法，并通過RFPA系統(tǒng)具體實(shí)施。運(yùn)用所建立的模型對(duì)陶瓷材料承受熱

7、沖擊的破壞過程進(jìn)行數(shù)值模擬，以驗(yàn)證本數(shù)值模型的可靠性。 1數(shù)值模型簡(jiǎn)介根據(jù)燒結(jié)的不同，陶瓷材料或多或少地含有孔洞、氣泡以及微裂紋等，這是造成陶瓷破裂的重要原因之一。要精確地對(duì)這些微孔洞、微裂紋定位、計(jì)算，顯然并非易事。這就需要尋求一種能夠近似反映陶瓷的這種細(xì)觀特性的方法。如果取陶瓷中某一個(gè)表征單元體(REV)，把這個(gè)單元覆蓋范圍內(nèi)所具有的微裂紋、孔洞等均勻分配到這個(gè)單元的材料參數(shù)中，視單元為具有初始損傷的單元，按照其中包含的微裂紋大小、數(shù)量的不同而具有不同的損傷程度。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來描述材料的這種細(xì)觀特性有其獨(dú)特的優(yōu)越性。把材料劃分為多個(gè)REV單元，這些單元的材料

8、參數(shù)服從某