基于熱應力緩和梯度涂層的結構設計及涂層性能分析.pdf

1、功能梯度材料的應用日益廣泛,基于計算機輔助技術梯度材料優(yōu)化設計可以節(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用于機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,在熱應力研究的基礎上探討梯度材料的其他性能是有必要的。本課題基于熱應力緩和對梯度涂層進行優(yōu)化,在此基礎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、度材料應用于加強齒輪齒面的可行性。
　　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。熱應力分析采用彈塑性模型,其他采用彈性模型。對于熱應力分析、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,基于熱應力分析的優(yōu)化結果是熱穩(wěn)定性分析和接觸分析的分析基礎

3、,熱應力分析結果和接觸分析結果為梯度涂層應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)化結構后應力應變滯后環(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