基于熱應(yīng)力緩和梯度涂層的結(jié)構(gòu)設(shè)計及涂層性能分析.pdf

1、功能梯度材料的應(yīng)用日益廣泛,基于計算機(jī)輔助技術(shù)梯度材料優(yōu)化設(shè)計可以節(jié)約成本和提高優(yōu)化效率。金屬基陶瓷梯度材料熱應(yīng)力的理論研究比較全面,而通過仿真分析梯度材料熱穩(wěn)定性的研究較少。同時,金屬基陶瓷梯度材料應(yīng)用于機(jī)械零件時工作條件并不單一,在承受熱載荷的同時,也會受到其他載荷的作用,因此,在熱應(yīng)力研究的基礎(chǔ)上探討梯度材料的其他性能是有必要的。本課題基于熱應(yīng)力緩和對梯度涂層進(jìn)行優(yōu)化,在此基礎(chǔ)上探討其在交變溫度場下的熱穩(wěn)定性和其接觸性能,并討論梯

2、度材料應(yīng)用于加強(qiáng)齒輪齒面的可行性。
　　本課題梯度層的組分分布函數(shù)均采用冪函數(shù)分布形式,材料參數(shù)按修正混合定律計算。熱應(yīng)力分析采用彈塑性模型,其他采用彈性模型。對于熱應(yīng)力分析、熱穩(wěn)定性分析和接觸
　　分析,本文中金屬基體模型采用圓柱模型,在柱面添加陶瓷/金屬梯度過渡層和陶瓷層工作涂層。對于齒輪模型,則將涂層和過渡層添加于齒輪漸開線齒面部分。梯度材料優(yōu)化采用控制變量法,基于熱應(yīng)力分析的優(yōu)化結(jié)果是熱穩(wěn)定性分析和接觸分析的分析基礎(chǔ)

3、,熱應(yīng)力分析結(jié)果和接觸分析結(jié)果為梯度涂層應(yīng)用于齒輪可行性分析的鋪墊。所有分析過程均采用有限元分析軟件ANSYS,梯度材料參數(shù)的計算和齒輪建模采用ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言(APDL)。
　　過渡層層數(shù)N=8,過渡層厚度δ=1mm,成分分布指數(shù)p=0.8,涂層厚度d0=0.1mm時,熱殘余應(yīng)力緩和效果最優(yōu)。無梯度層時滯后環(huán)包圍面積是采用梯度層優(yōu)化結(jié)構(gòu)后應(yīng)力應(yīng)變滯后環(huán)包圍面積的2.83倍,后者具有更好的熱穩(wěn)定性和更長的熱疲勞壽命,提出簡