SiC/Al双材料及梯度功能材料的力学分析

摘要

梯度功能材料(Functionally Graded Materials)组分连续渐进过渡的结构特点大大地改进了异种材料间的连接方式，应用前景甚为广阔。其中陶瓷/金属梯度功能材料具有缓和热应力和满足一定机械强度的特点，其研究和发展最为活跃。本文通过试验与数值模拟法，对SiC/Al功能梯度材料以及双材料的高温力学性能进行研究，得到该材料常温及高温下的力学性能，为该材料在工程中的应用提供了实验依据。 本文首先运用有限元方法对SiC/Al焊接双材料结构的残余应力进行数值模拟分析，得到焊接过程任意时刻的温度场、应力场变化情况和残余应力分布。 本文采用无压渗透法制作具有四个梯度层的FGM三点弯试件，运用高温云纹干涉法分别测试了FGM在机械载荷、热载荷及两者共同作用下的变形情况，得到了这三种受力状态下的纵向应变，横向应变和剪应变分布。同时，用ANSYS软件数值模拟了FGM和双材料在上述相同载荷条件下的分布情况，并进行两部分的对比：一是FGM实验结果与数值计算结果的对比，论证了云纹干涉法用于FGM应变测试的可行性和可靠性，为FGM设计与制备提供有效数据；二是FGM和双材料的数值结果对比，结果显示FGM相对于双材料具有大大缓和热应力的性能。 本文对FGM的断裂力学性能方面进行了实验与数值分析。采用三点弯曲试验和紧凑拉伸试验分别对预制Ⅰ型裂纹平行梯度方向和垂直梯度方向的两种裂纹扩展情况进行了分析讨论，并求得断裂韧性K<,1C>值。同时，对含预制裂纹的三点弯曲试验进行数值模拟，计算出Ⅰ型应力强度因子K<,1>随载荷的变化关系。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1概述

1.1.1双材料及梯度功能材料的概念

1.1.2梯度功能材料的应用

1.2双材料的研究现状

1.3梯度功能材料(FGM)的研究现状

1.3.1 FGM设计

1.3.2 FGM制备

1.3.3 FGM性能评价

1.3.4 FGM发展方向

1.4本文工作

第二章基本原理

2.1热力学理论

2.1.1热力学基本定律

2.1.2热传导方程及其定解条件

2.2云纹干涉法基本原理

2.2.1光栅与衍射

2.2.2干涉现象

2.2.3波前干涉理论

2.2.4应变与条纹级数的关系

第三章SiC/Al双材料残余应力的有限元分析

3.1焊接过程有限元计算的特点

3.2焊接温度场的分析

3.2.1焊接热源

3.2.2有限元模型建立

3.2.3边界条件

3.2.4载荷步设置

3.2.5温度场分析结果

3.3焊接应力场的分析

3.3.1材料参数与边界条件的输入

3.3.2应力场分析结果

3.4小结

第四章FGM的应变测试与有限元分析

4.1实验技术

4.1.1云纹干涉法实验设备

4.1.2梯度功能材料制作

4.1.3试件栅制作

4.2实验测试

4.2.1室温下FGM随机械载荷的应变分布

4.2.2高温下FGM随机械载荷的应变分布

4.2.3 FGM在温度载荷下的应变分布

4.3数值模拟

4.3.1 FGM的有限元模拟

4.3.2双材料的有限元模拟

4.4对比分析结果

4.4.1 FGM试验与有限元数值模拟的对比

4.4.2 FGM与双材料的对比

4.5小结

第五章FGM裂纹扩展及应力强度因子计算

5.1试验测试

5.1.1三点弯曲试样

5.1.2紧凑拉伸试样

5.2有限元数值模拟

5.2.1有限元断裂分析概述

5.2.2计算结果

5.3小结

第六章总结与展望

6.1全文总结

6.2研究展望

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文