基于ANSYS参数化语言Al2O3-Ni功能梯度涂层结构设计

摘要

陶瓷-金属功能梯度涂层结构以其耐磨、耐高温、耐腐蚀等优异的多功能特性在航空航天、生物医疗、机械工程等领域有着十分广泛的应用。业界对功能梯度涂层结构的设计分析还在初步阶段，系统研究还不够完善，缺乏一套完整实用可行的功能梯度涂层结构设计方案。因此根据实际工况需求，通过ANSYS参数化语言(APDL)建立不同工作环境下的模型并进行仿真分析很有必要。以耐磨、耐高温且耐腐蚀的Al2O3-Ni功能梯度涂层结构作为研究对象，运用控制变量法进行对比运算分析，最后得到三种具体工况下的最优Al2O3-Ni功能梯度涂层结构。
　　建立赫兹接触分析模型、纯热应力分析模型及热-接触耦合模型。分析功能梯度结构在不同工况条件下对各应力大小及分布的影响时，以最大剪切应力不发生在表层耐磨层并远离陶瓷-金属界面层，同时梯度层内剪切应力变化平缓，且以剪切应力及Mises应力最小为评判准则来进行Al2O3-Ni功能梯度涂层结构的设计。
　　在赫兹经典纯接触情况下，通过施加100N集中力载荷或者0.001mm纵向位移载荷在小球中心处，运算分析得到如下结论：耐磨层厚度、梯度层厚度、梯度层层数以及梯度结构形式都会影响最大Mises应力的大小及位置，但影响力度很小，不是很明显；最后得出氧化铝耐磨层厚度30μm、梯度层厚度60μm、梯度层层数10层、梯度层结构形式P=0.25的结构模型能有效达到减缓应力突变、控制最大Mises应力远离表层耐磨层。
　　在纯热应力情况下，将模型整体从室温（293K）加热到673K，分析得到结论：采用梯度结构可有效改善因温度变化引起涂层结合界面上的剪应力突变；当氧化铝耐磨层厚度为0.2mm时，采用中间层为8层、梯度层厚度在2.0mm的线性梯度结构就能大幅降低结合界面上的剪应力突变，最大剪应力突变下降40％以上。
　　在热-接触耦合情况下，将模型从室温(293K)缓慢加热到高温(673K)，同时在小球中心施加0.005mm的纵向位移载荷，最后得到分析结论：氧化铝耐磨层厚度为0.2mm时，采用中间层为8层、梯度层厚度在4.0mm的线性梯度结构就能大幅降低结合界面上的剪应力突变，同时使得最大剪切应力远离陶瓷-金属界面处，并且Mises应力峰值与没有梯度层相比下降了40%。
　　这三个模型彼此独立且相互补充。在复杂多变的实际现场，对于不同的工况要求，只需要根据相应的条件找到最佳的分析结果模型，然后针对性的去制造最优的功能梯度涂层结构。所有模型结构和属性都是通过参数化语言进行封装，并能通过改变参数来进行其他功能梯度涂层结构的设计分析，具有一定的代码移植性和灵活性。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 功能梯度涂层结构(FGCS)概述

1.3 有限元法与ANSYS概述

1.4 论文研究意义及主要内容

第二章 功能梯度涂层结构(FGCS)研究方法与可靠性论证

2.1 功能梯度涂层结构(FGCS)研究方法

2.2 模型参数调试方法研究

2.3 结果可靠性论证

第三章 赫兹接触下最优Al2O3-Ni功能梯度涂层结构设计

3.1 Al2O3-Ni耐磨功能梯度结构建模

3.2 纯接触下的ANSYS模型论证与结果分析

3.3 小结

第四章 Al2O3-Ni功能梯度涂层结构对热应力的影响

4.1 Al2O3-Ni功能梯度涂层结构建模

4.2 模型几何特征和网格划分

4.3 耐磨层Al2O3厚度对热应力的影响

4.4 梯度层厚度对热应力的影响

4.5 梯度层层数对热应力的影响

4.6 梯度结构形式对热应力的影响

4.7 小结

第五章 热-接触耦合下Al2O3-Ni功能梯度涂层结构设计

5.1 ANSYS耦合场建模概述

5.2 ANSYS 参数化设计语言(APDL)语言概述

5.3 Al2O3-Ni功能梯度结构对热-接触耦合应力的影响

5.4 小结

第六章 总结及展望

6.1 总结

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

硕士期间发表论文和申请专利