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考虑温度相关性功能梯度热障涂层活塞热分析

作　者: 刘学荣
导　师: 张翼
学　校: 中北大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 功能梯度热障涂层温度相关性活塞热分析
分类号: TG174.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

论文将功能梯度热障涂层应用到活塞顶部以进行涂覆。涂层材料成分的梯度变化能有效地缓解表面陶瓷层和金属基底接合面间的应力，顶层的陶瓷可以起到良好的隔热作用。因此，功能梯度热障涂层即具有抗高温、隔热的热学性能，又有金属的力学性能。本文的具体工作如下：首先，研究了功能梯度热障梯度涂层的材料特性。选取陶瓷材料ZrO2作为隔热材料，活塞基体材料为ZL109。运用指数分布函数确定功能梯度层沿轴向方向的材料配比分布规律，考虑到实际加工工艺限制，对延续变化的梯度层进行了离散化。并对不同梯度指数下相应的各层梯度层材料的物性参数（导热系数、弹性模量、泊松比、线膨胀系数）进行了计算。其次，利用经验公式和半经验公式，结合已有相关数据计算了活塞稳态热分析所需的第三类热边界条件：各部位的温度和换热系数。再次，在Por/E中建立三维实体模型，并利用Hypermesh将模型进行有限元前处理。利用有限元分析软件ABAQUS对的普通铝合金活塞、单一陶瓷涂层活塞和不同的梯度指数下功能梯度热障涂层活塞做稳态热分析。通过对温度场、热应力场的分析比较，优选出最优梯度指数。最后，考虑到活塞各部分的温度分布有差异，而不同温度下材料物性参数不同，需要确定材料物性参数随温度的变化规律。在考虑温度相关性的情况下，对功能梯度热障涂层活塞进行了稳态热分析。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-18
  1.1 选题背景及意义  10-12
  1.2 热障涂层的研究现状与发展动态  12
  1.3 热障陶瓷涂层在发动机中的应用现状  12
  1.4 活塞有限元分析的发展现状  12-15
  1.5 本文所用软件介绍  15-16
    1.5.1 CAD 类软件选用及介绍  15-16
    1.5.2 CAE 类软件选用及介绍  16
  1.6 本文研究的内容  16-18
2 热传递基本理论  18-27
  2.1 热传递三种方式  18-20
    2.1.1 热传导  18-19
    2.1.2 热对流  19
    2.1.3 热辐射  19-20
  2.2 热传导的数学描写  20-23
    2.2.1 导热基本定律  20
    2.2.2 导热微分方程  20-22
    2.2.3 导热微分方程的定解条件  22-23
  2.3 热应力问题的数学描述  23-25
    2.3.1 热弹性基本方程  23-24
    2.3.2 热弹性方程求解的边界条件  24-25
  2.4 传热学研究方法的选择  25
  2.5 本章小结  25-27
3 材料物性参数及边界条件的确定  27-38
  3.1 材料物性参数的确定  27-31
    3.1.1 活塞基体材料的选择  27
    3.1.2 涂层材料的选取  27-28
    3.1.3 涂层物性参数的确定  28-31
  3.2 边界条件的确定  31-37
    3.2.1 活塞顶部边界条件的确定  32
    3.2.2 活塞火力岸、环区、活塞裙部的换热系数  32-35
    3.2.3 活塞内腔换热系数  35-37
  3.3 本章小结  37-38
4 功能梯度热障涂层活塞热分析  38-55
  4.1 有限元模型建立  38-41
    4.1.1 有限元结果误差  38-39
    4.1.2 活塞实体模型的建立及简化  39-40
    4.1.3 活塞实体模型的离散化  40-41
  4.2 ABAQUS 热分析方法原理  41-45
    4.2.1 ABAQUS 有限元热分析方法  41-42
    4.2.2 有限元分析类型  42-44
    4.2.3 ABAQUS 求解器的选择  44-45
  4.3 热障涂层隔热效果分析  45-49
    4.3.1 三种活塞温度场分析  45-47
    4.3.2 三种活塞应力场分析  47-49
  4.4 功能梯度涂层梯度指数的优化  49-54
    4.4.1 不同梯度指数下温度场分析  49-51
    4.4.2 不同梯度指数下应力场分析  51-54
  4.5 本章小结  54-55
5 考虑温度相关性热障涂层活塞热分析  55-66
  5.1 温度对材料物性参数的影响  55-61
    5.1.1 温度对弹性模量的影响  55-57
    5.1.2 温度对导热系数的影响  57-58
    5.1.3 温度对线膨胀系数的影响  58-61
  5.2 考虑温度相关性普通铝合金活塞热分析  61-62
    5.2.1 温度相关性对温度场的影响  61-62
    5.2.2 温度相关性对应力场的影响  62
  5.3 考虑温度相关性热障涂层活塞热分析  62-64
    5.3.1 温度相关性对温度场的影响  63
    5.3.2 温度相关性对应力场的影响  63-64
  5.4 本章小结  64-66
6 总结与展望  66-68
  6.1 总结  66-67
  6.2 展望  67-68
参考文献  68-72
攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果  72-73
致谢  73-74

考虑温度相关性功能梯度热障涂层活塞热分析

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