基于功能区规划的梯度复合结构设计及性能分析

摘要

在航空航天、生物医疗、机械等领域快速发展对某些零件提出更高要求，有些零件要求同时具备抗磨损、抗疲劳、抗冲击以及耐高温的功能，单一材料难以达到多功能要求。基于功能区规划对零件进行材料设计是提高机械零件性能的方法之一。
　　论文提出了按功能区来划分结构的设计思想，以Hertz接触理论为依据，运用有限元分析软件ANSYS建立了在不同工况条件下的理论分析模型，分析了模型在不同工况条件下应力分布。根据功能区规划的设计思想，基于模型的功能要求，划定模型表面功能区，对功能区选择具有相应功能的材料，为了提高结构整体的结合性能，在功能区与基体间设计合理的梯度复合结构，分析梯度复合结构的厚度、中间层数及结构形式对模型的应力分布的影响。本文主要开展不同模型在不同工况条件下梯度复合结构的设计，探究梯度复合结构对模型应力分布影响，主要研究工作如下：
　　在静态接触集中力载荷的工况条件下，建立了刚性小球接触具有梯度复合结构圆柱体模型，功能区及梯度复合结构沿圆柱体轴向方向呈层状分布。基于圆柱体的表面抗磨损功能要求，划定圆柱体表面0.02mm的厚度为抗磨损功能区，在圆柱体表面抗磨区与基体间设计厚度为0.08mm，中间层为8层的线性梯度复合结构就能避开最大Mises应力发生在表面强化区，适当避开梯度区，从而防止圆柱体表面抗磨区在静态接触集中力载荷作用下脱落。
　　在温度载荷及静态接触集中力载荷的工况条件下，建立了刚性圆柱体接触具有梯度复合结构圆柱体模型，功能区及梯度复合结构围绕圆柱体中心沿厚度方向呈层状分布。基于圆柱体的表面抗磨损功能要求，划定圆柱体表面0.02mm的厚度为抗磨损功能区，在圆柱体表面抗磨区与基体间设计厚度为0.08mm，中间层为8层的线性梯度复合结构就可有效降低圆柱体模型表面抗磨损功能区与基体间Mises应力突变，改善圆柱体应力分布特征，从而防止圆柱体表面抗磨区在温度载荷及静态接触集中力载荷作用下脱落。
　　在温度载荷及静态接触集中力载荷的工况条件下，建立了轮轨接触模型，功能区及梯度复合结构围绕列车车轮中心沿厚度方向呈层状分布。基于列车车轮表面有抗磨损功能要求，划定列车车轮表面1.0mm的厚度为抗磨区，在列车车轮表面抗磨区与列车车轮基体之间设计厚度为2.0mm，中间层为8层的线性梯度复合结构就能大幅降低抗磨区与列车车轮基体界面结合处的Mises应力突变，改善列车车轮应力分布特征，从而防止列车车轮表面抗磨区在温度载荷及静态接触集中力载荷作用下脱落。
　　在本文梯度复合结构设计与性能分析中，前两种梯度复合结构设计采用的是圆柱体模型，最后是以具体应用对象列车车轮模型为例，对于在不同的工况条件作用下，根据模型应力分布特征，以达到设计出理论最佳梯度复合结构的目的。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 梯度复合结构设计研究概述

1.3 本文研究的主要内容

第二章 有限元分析的相关理论

2.1 有限元方法与有限元分析软件ANSYS

2.2 接触分析

2.3 传热学理论

2.4 热-结构耦合分析求解方法

2.5 本章小结

第三章 梯度复合结构对接触应力的影响

3.1 引言

3.2 功能区结构设计模型

3.3 计算结果与讨论

3.4 结论分析

3.5 本章小结

第四章 梯度复合结构对热应力及压应力的影响

4.1 引言

4.2 功能区结构设计模型

4.3 计算结果与讨论

4.4 结论分析

4.5 本章小结

第五章 梯度复合结构对列车车轮力学性能的影响

5.1 引言

5.2 轮轨接触模型

5.3 计算结果与讨论

5.4 结论分析

5.5 本章小结

第六章 研究工作总结与展望

6.1 研究工作总结

6.2 研究工作创新点

6.3 研究工作展望

参考文献

致谢

硕士期间发表论文