（机械设计及理论专业论文）陶瓷微球填充型热障涂层的隔热分析与优化.pdf

大连理工大学硕士学健论文 摘要 热障涂层以其优良的抗高温氧化和抗热腐蚀性能，可以有效降低基体服役湿度，对 基体起到保护作用，因丽得到越来越广泛的应用。弱前经济发展对节能降耗、提高能源 利用率的呼声日益高涨，因此对热障涂层隔热性能以及隔热效率的研究具有重要的现实 意义。本文以陶瓷微球型热障涂层为研究对象，进行涂层的隔热性能分析与优化研究。 研究的主要内容如下： 该文首先应用a n s y s 分析了陶瓷微球传热模型的特点，得出陶瓷微球显著改变热 流方向且热流在陶瓷微球内的流动比外部弱。接着分析了陶瓷微球的尺寸及填充率对隔 热性能的影响，随球径、填充率以及球壁厚度增大，陶瓷微球对隔热能力的影响变弱。 随后建立了陶瓷微球填充涂层的有效导热系数计算式，并把计算值和傅立叶定律计算值 作了比较，两者相差不大，有效导热系数计算式是可行的。 然后应用传热学理论分别建立了圆篱结构和平板结构陶瓷微球型热障涂层的温度 场的数学模型，并进行有限元数值模拟，比较相同条件下界面处温度的解析解和有限元 解，温度变化趋势基本致；分析温度场发现涂层的中间层在隔热中起主要作用。接着 建立了圆筒结构和平板结构的隔热效果数学模型，为优化设计做准备。 最后，根据分析结果和数学模型，建立了圆筒结构和平板结构陶瓷微球型涂层的优 化设计模型，以隔热效果和隔热效率为爱标函数，以陶瓷微球的壁厚半径院、陶瓷微球 的填充率以及涂层厚度为设计变量，在变量约束下，运用遗传算法优化方法对陶瓷微球 型热障涂层进行了优化设计。比较优化前盾结果发现，当工作温度较低时改善有限，但 在工作温度较高时，改善幅度较大，从而说明通过优化陶瓷微球填充型热障涂层能提高 涂层的隔热能力。 本文运用传热学理论和有限元分析软件a n s y s ，分析了陶瓷微球的传热特点以及 陶瓷微球形状尺寸和涂层结构尺寸对隔热效果的影响，分别建立圆筒结构和平板结构的 优化设计模型，运用遗传算法和m a t l a b 进行了优化，得到较合适的参数，获得了一 些具有工程应用价值的结论。 关键词：陶瓷微球；燕障涂层；隔热；遗传优亿 陶瓷微球填充型热障涂层的隔热分析与优化 i n s u l a t i o na n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no ft h e r m a li n s u l a t i o nc o a t i n g s i n c o r p o r a t e dw i t hc e r a m i cm i c r o - s p h e r e s a b s t r a c t t h e r m a lb a r r i e rc o a t i n g s ( t b c s ) p r o v i d ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，s u c ha se x t r e m et h e r m a l r e s i s t a n c e ，g o o de r o s i o nr e s i s t a n c ea n d s oo n t h e yc a nr e d u c et h eo p e r a t i n gt e m p e r a t u r ea n d i n c r e a s et h es e r v i c el i f eo ft h ec o m p o n e n t sa n dh a v eb e e nw i d e l yu s e d a tp r e s e n t ，t h ev o i c e o ft h en a t i o n a le c o n o m yt ou s ee n e r g ye f f e c t i v e l yi sr i s i n g ，s ot h es t u d yf o ri m p r o v i n gt h e p e r f o r m a n c eo ft b c si sv e r yi m p o r t a n t t h e r e f o r e ，t h et h e s i sd i da n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o n r e s e a r c h e so nc e r a m i cm i c r o - s p h e r et h e r m a lb a r r i e rc o a t i n g s 硼1 em a i nr e s e a r c ht o u t e r sa r e a sf o l l o w s ： f i r s t l y ，t h eh e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i ca n dt h ee f f e c to fc e r a m i cm i c r o s p h e r et o i n s u l a t i o np e r f o r m a n c ew e r es i m u l a t e du s i n ga n s y s ，n l eh e a tf l o wi nc o a t i n gw a sa l t e r e d b yc e r a m i cm i c r o s p h e r ea n dt h eh e a tf l o wi nc e r a m i cm i c r o s p h e r ew a sw e a k e rt h a nt h eo u t e r , a n dw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h er a d i u s ，t h i c k n e s sa n df i l l i n gr a t e ，t h ee f f e c to fm i c r o s p h e r ew a s w e a k e n i n g ，f o l l o w e db yt h ee s t a b l i s h m e n to ft h ee f f e c t i v et h e r m a lc o n d u c t i v i t yf o r m u l a t i o n a n di t sv a l i d a t i o nb yf o u r i e rl a w s e c o n d l y ，m a t h e m a t i c a lm o d e l so ft e m p e r a t u r ef i e l df o rc y l i n d r i c a la n dt a b u l a t es t r u c t u r e c o a t i n g sw e r es e tu p ，a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nb yf i n i t ee l e m e ma n a l y s i sw e r ed i d a n dt h e n e x a m p l e so fc a l c u l a t i o nw e r eg i v e n l a t e r , t h ef i n i t ee l e m e n ts o l u t i o no ft e m p e r a t u r ea te a c h i n t e r f a c eb o t hi n s u l a t i o ns y s t e m sw e r ec o m p a r e dw i t hf i n i t ee l e m e n ts o l u t i o n s t h e n ，t h e i n s u l a t i o ne f f e c tf o r m u l a t i o no fb o t hs t r u c t u r ew e r es e tu p a tl a s t t h eo p t i m i z a t i o nm o d e l sb o t hc y l i n d r i c a la n df i a tw e r ee s t a b l i s h e d t h ee f f e c t a n dt h ee f f i c i e n c yo fh e a ti n s u l a t i o nw e r et h eo b j e c t i v ef u n c t i o n s ，a n dt h ec e r a m i c m i c r o - s p h e r e sr a d i u st h i c k n e s sr a t i o ，f i l l i n gr a t e ，a sw e l la st h et h i c k n e s so ft h ec o a t i n gw e r e t h ed e s i g nv a r i a b l e s t h e nt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g nw a se x e c u t e du s i n gt h eg e n e t i ca l g o r i t h m o p t i m i z a t i o nm e t h o d ，s o m eo p t i m u mp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e d c o m p a r i n go r i g i n a ld e s i g n a n dt h eo p t i m u md e s i g n ，t h ei m p r o v i n gi ss m a l la tl o w w o r kt e m p e r a t u r e ，b u tb i ga th i g h s o t h eo p t i m i z a t i o ni sf e a s i b l e i nt h i sp a p e r ，h e a tt r a n s f e r sb o t hc e r a m i cm i c r o s p h e r e sm a dt b c sw e r es i m u l a t e du s i n g a n s y s t h ee f f e c to fc e r a m i cm i c r o - s p h e r e ss t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n dc o a t i n g st h i c k n e s st o i n s u l a t i o ne f f e c tw a sa n a l y z e d t h em u l t i o b je c t i v eo p t i m i z a t i o nb o t hc y l i n d r i c a la n df l a t 大连理工大学硕士学位论文 m o d e l sw e r ee x e c u t e du s i n gt h eg e n e t i ca l g o r i t h m s a n ds o m ev a l u et h e o r yr e s u l t sw e r eg o t i ne n g l n e e n n g k e yw o r d s ：c e r a m i cm i c r o s p h e r e ；t h e r m a lb a r r i e rc o a t i n g s ；h e a ti n s u l a t i o n ；g e n e t i c o p t i m i z a t i o n ； 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文 作者签名 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文 作者签名 导师签名 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题的研究背景 热障涂层又称隔热涂层【l 】，是一种起到隔热作用的功能涂层，通常采用导热系数相 对很低的材料，用合适的技术涂覆于高温工作的部件表面，从而避免高温工作介质直接 作用在金属基体表面，以良好的隔热性能降低部件表面的温度，成为高温介质加热金属 基体表面的屏障，起到削弱交换的作用，对基体形成有效的保护。 现代工业，特别是航空航天工业的发展，要求材料的使用温度越来越高，使用环境 越来越苛刻。于是，人们开发出了一系列采用特殊工艺制备的高温材料。但是任何一种 单一材料的使用都受到其熔点温度的限制，使得高温材料的应用受到了一定的限制。热 障涂层作为一种新型的高温部件热防护及降温的方法越来越受到人们的重视，自1 9 7 6 年它被成功用于j 7 5 型燃气轮机叶片，世界各国便纷纷投入大量资金，从它的材料体系 到制备技术展开了广泛的研究工作【2 j 。 目前，国内外对热障涂层技术研究保持着强劲的活力，主要研究方向为以下几个方 面【3 】：( 1 ) 研究高温稳定性更好的陶瓷层材料。选择新的陶瓷稳定剂氧化物，改进和优化 涂层的微观结构，开发高温相稳定性更好的陶瓷层材料是其中的关键；( 2 ) 改进和优化热 障涂层体系及制备工艺。通过对涂层成分、制备工艺和热处理工艺，包括对梯度热障涂 层的研究，进一步优化和改进热障涂层的微观结构，提高其隔热能力和使用寿命；( 3 ) 发展新的涂层性能检测技术，尤其是无损检测技术，准确地表征和评价热障涂层的各种 性能，更好地实现对热障涂层质量的监控。 与国外热障涂层技术的研究相比，国内有关热障涂层的理论和试验研究起步较晚， 实际应用较少，目前多是在非航空部门的非转动部件上，如石化、电力以及冶金方面。 而在实际应用中，由于缺乏实际可靠的理论参考以及生产施工中的随意性，导致涂层的 隔热能力和有效利用率低下。另外传统的热障涂层材料多采用实心材料来填充，要提高 涂层的隔热性能，只能选用材料导热系数小的材料来降低涂层的表观导热系数，因而其 隔热能力的提升相当有限。当采用有孔隙的材料来填充时，由于孔隙中空气导热系数低， 显然可以提高涂层的隔热性能。而陶瓷空心微球正是有着独特的空心结构，其壳内包含 有不良导热体的空气，显然在隔热方面有着明显的优势。因而采用陶瓷微球填充涂层来 提高涂层的隔热性能有着明显的优势。 陶瓷微球填充型热障涂层的隔热分析与优化 1 2 陶瓷微球隔热研究现状 自空心玻璃微球出现以来，它就引起了众多科学家和工程技术人员的研究兴趣。到 目前为止，已经研究开发出多种成分的空心球材料，其中包括无机空心球材料、有机空 心球材料和有机、无机复合空心球材料等。已经制备出的无机空心球材料包括半导体空 心球、陶瓷空心球、金属空心球、碳空心球和金属氧化物空心球等。目前微纳空心微球 的制备方法有模板法、乳液法、模板置换反应法、模板界面反应法、层状组装法、超声 波法和喷雾干燥法等制备方法【4 5 “7 】。并且在制备方面的研究依然是一个热点。 由于空心纳微粒子特有的空心结构，较大的比表面积、较小的密度以及特殊的光、 电、磁等物理性能，富含微孔结构的壳层还具有选择渗透性、吸附性等，从而决定了它 在广阔的领域有重要的研究价值和广泛的应用前景，目前其应用的研究要集中在催化材 料、光电材料、磁性材料、生物医药材料以及轻体材料方面【8 。1 0 j 。而在隔热方面的应 用很少见诸报道。 空心纳微粒子壳内的空气等是热的不良导体、壳层富含的细小的微孔能有效吸收声 波，因此其阻燃和隔热性能明显优于实心材料，可以作为轻质的隔热、阻燃材料的填料。 如氧化钇和氧化铈稳定的氧化锆陶瓷粉末是优良的隔热材料。空心球材料独有的隔热保 温、防火耐水、防辐射和耐腐蚀特性，可以在节约能源方面发挥重要的作用。由于世界 范围内的能源紧张，我国已经开始大力倡导节约能源和开发新能源。因此空心微球可以 在节约能源方面发挥重要的作用。 当前对于空心微球在隔热方面的研究，国外学者很少涉及。而国内也只有少许研究 人员做过相关研究。梁基照，李锋华【1 1 】分析了中空微球填充聚合物复合材料的传热机理， 指出其热传递的主要模式。并且建立了热量传递的理论模型，并推倒出了等效导热系数 的计算式。应用该式估算了中空微球填充聚合物丙烯复合材料的等效导热系数，并将其 与数值模拟结果进行比较。蒋晓军，黄长庚，叶宏等【1 2 】利用传热学基本理论，探讨了空 心微球的结构特性与体积分数对隔热涂层导热性能的影响，提出了中低温隔热涂层表观 导热系数的数学式，并通过实验进行了验证。叶宏，徐斌，王军等1 1 3 j 对陶瓷微球填充型 隔热涂料进行了分析，并在此基础上运用数值单元法建立了计算其有效导热系数的模 型，分别讨论了各个因素对某涂料有效导热系数的影响，并利用平板法测试几种涂料的 导热系数。梁基照，李锋华【1 4 】应用a n s y s 软件对聚合物中空微球复合材料单元中的热 传递进行了有限元分析，并计算出中空微球填充n r 复合材料的等效导热系数值。王金 山，朱玉群，江超等【1 5 】应用a n s y s 软件对i c f 空心微球靶的热传递进行了有限元分析。 郑庆雄，王美丽【1 6 】提出了一个近似计算多孔陶瓷等效导热系数的公式该公式综合考虑了 大连理工大学硕士学位论文 孔隙大小、孔隙度以及气相辐射与导热的影响，可用于在任意温度下具有任意孔隙度的 多孔陶瓷的等效导热系数的计算。用文献数据检验表明，该公式在高温区有较高的计算 精度。陈奎，于帆，张欣欣等【l7 】对空心微球聚合体的多孔介质的有效导热系数进行了研 究，提出了两种计算模型。何敏婷f l8 】对莫来石中空微球的低温隔热性能进行了研究，叙 述了莫来石中空微球的组成和性能、涂料的配方和操作及隔热性能的评价，并讨论了中 空微球的粒径和用量，以及涂层厚度对隔热性能的影响。 1 3 陶瓷热障涂层的国内外优化研究现状 陶瓷涂层材料优化设计的目的是为了获得最优化的材料组成和成分分布，方法有别 于传统的材料设计方法，它主要通过计算机辅助设计系统，根据所要设计的物体的形状 和工作要求，选择可能的成分组合体系和制备方法，然后根据材料的物性参数和组成成 分的分布函数进行温度分布和热应力计算，寻求满足隔热性能和机械力学性能的较优成 分组合体系。 陶瓷材料优化设计的任务，是在涉入综合分析所选择的材料体系、制备工艺和使用 环境等基础上，根据材料工作环境的要求，通过合理选择组分分布，达到优化材料的制 备性能、使用性能和安全性能的目的。陶瓷涂层材料的可设计性，或称为可设计的材料， 是陶瓷涂层材料的精髓，而合理的设计思想和设计方法，是陶瓷热障涂层材料优化设计 的关键。近年来，许多国家将优化设计作为陶瓷材料研究的主要方向之一。目前，国内 外在材料的优化设计方面的研究工作很多，并在不断地深入。 在国内，许多学者投入了针对陶瓷涂层材料的优化研究工作。张浩军，侯永改等【1 9 j 利用计算机技术，对陶瓷结合剂化学成分进行精密计算，并在此基础上，根据结合剂所 需要的化学成分，采用数学模型精确优化设计出陶瓷结合剂配方即各种原材料的配比； 车声雷，蔡灿珍【2 0 】对陶瓷粉体化学均匀性的表征作了研究和优化；北京理工大学的张惠 芳，王全胜和吕广庶【2 l 】对热障涂层成分结构工艺作了优化研究；徐利华，黄勇，李建保 等【2 2 】采用多元回归分析，结合实验结果，研究复相陶瓷中的各弥散相组成与力学性能之 间的定量关系，并建立材料强度与相变和颗粒弥散的计算模式，预测出最佳强度及相应 组成体积分数，同时预测出纳米一微米多层次复合陶瓷的断裂韧性及其组成，对材料进 行了组分优化设计；邓美兰，孙国梁，唐燕超等【2 3 】将灰色优化方法应用于陶瓷配方设计， 并讨论了陶瓷配方设计中多因素信息不明确的状态下，如何获得质量最高、成本最低的 陶瓷配方设计方案。王崇引2 4 】对先进陶瓷材料( 氮化硅，碳化硅，氧化铝，氧化铝与碳 化硅纳米复合材料) 的微观结构特征，特别是它与宏观性能的关系进行了评述。并联合 陶瓷微球填充型热障涂层的隔热分析与优化 运用材料物理与材料化学的分析方法为优化先进陶瓷的性能而进行的微观结构设计提 供了有用的信息。 在国外，很多研究人员也作了大量的研究工作。如a n d r e wj g o u p e e 和s e n t h i l s v e l l 2 5 l 使用无网格分析法和遗传算法对功能梯度材料的材料组分进行了两维优化，提 出了热机械过程下功能梯度材料材料组分两维模拟和优化的方法( 该方法主要集中在金 属陶瓷功能梯度材料上) 。r b e r m e j o ，c b a u d i n l 2 6 1 对高压缩层中的分层的陶瓷组分的 断裂和过程优化作了研究。根据氧化铝层中氧化锆微粒的悬浮稳定性和散布性，对过程 参数作了优化工作。s e n t h i ls v e l ，j a c o bl p e l l e t i e r t 2 7 】对热载下功能梯度材料厚壳做了 多目标优化工作，提出了功能梯度材料圆柱壳在稳态热机械过程中材料分布多目标优化 方法，使用自调和均质化方案来评估陶瓷材料的有效性能。选用控制点的体积分数作为 设计变量，使用最优非受控搜索多目标遗传算法来进行优化。a n d r e wj g o u p e e 和s e n t h i l s v e l l 2 8 】做了温变材料特性的功能梯度材料进行了多目标优化研究工作，提出了温变材 料特性的功能梯度材料在稳定热机械过程中材料分布多目标优化方法，该方法主要集中 于应用在高温或高热流量下的金属陶瓷和陶瓷金属功能梯度材料上。y o o t a o y t a n i g a w a 等【2 9 】用神经网络对热载下f g m 中空圆柱体的材料成分作了优化工作，得到近 似解析温度解。在最小化热应力分布时，利用神经网络进行计算，得到任意温度范围和 温升下的最佳材料成分。h z h u , b v s a n k a r 等【3 0 1 对瞬态热传递情况下的功能梯度金属 泡沫隔热材料进行了优化，找到了瞬态工作条件下最佳稳态隔热性能。y o s h i h i r oo o t a o ， r y u u s u k ek a w a m u r a 等人用神经网络对热应力松弛下的非均匀中空球的材料成分进行了 优化研究。 综合国内外的研究进展，可以发现当前陶瓷涂层的优化研究主要集中在陶瓷涂层组 织、陶瓷成分、陶瓷涂层的热机械性能、陶瓷涂层内热应力及陶瓷涂层的寿命等方面的 研究，而对涂层的隔热性能的优化研究很少。而在所采用的优化方法方面，国外的一些 文献采用神经网络对材料进行优化设计，国内的一些文献采用遗传算法或者a p d l 语言 进行优化设计【3 l 】。因此对涂层隔热性能的优化研究显得尤为重要，本课题将主要研究陶 瓷涂层的隔热性能，以及在一定使用条件下对隔热效果、隔热性能进行优化研究。 1 4 遗传算法的应用研究综述 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，简称g a ) 【3 2 】起源于对生物系统所进行的计算机模拟研 究，模仿自然界生物进化机制发展起来的随机全局搜索和优化方法，它借鉴了达尔文的 进化论和孟德尔的遗传学说。它本质上是一种高效、并行、全局的搜索方法，能在搜索 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 过程中自动获取和积累有关搜索空间的知识。并自适应的控制搜索过程以求得最优解。 一般来说，多数经典的优化算法基于目标函数的梯度或高阶导数产生一个确定的计算系 列。这类方法只作用于解空间的单个解，随着迭代的进行，这个解沿着最初下降方向不 断改进。这种点对点的搜索方法极可能陷入局部最优解。遗传算法通过保持一个潜在解 的群体进行多方向搜索，这种群体对群体的搜索有能力跳出局部最优解。群体进行的是 生物进化的模拟，每代中相对较好的解可得到繁殖的机会，而相对差的解被淘汰，从而 将搜索引向解空间中最优解附近的区域。 遗传算法的历史起源可追溯到6 0 年代初期，后来经过一段低潮后，于2 0 世纪8 0 年代 末和9 0 年代初又进入研究高潮，并且其研究一直延续至今。遗传算法的雏形最早出现在 生物学家f r a n s e r 的论文中。在遗传算法作为搜索方法用于人工智能系统之前，已有不少 生物学家用计算机来模拟自然遗传系统，尤其是f r a n s e r 的模拟研究。 美 m i c h i g e n 大学的h o l l a i l d l 3 3 】教授和他的学生认识到这一转化的重要性，开创和发 展了遗传算法这一领域，并于1 9 6 5 年，首次提出了人工遗传操作的重要性，并把这些应 用于自然系统和人工系统中。1 9 6 7 年，h o l l a n d 的学生b a g l e y 在他的论文中首次提出了遗 传算法这一术语，并讨论了遗传算法在自动博弈中的应用，他提出的包括选择、交叉和 变异的操作己与目前遗传算法中的相应操作十分接近。h o l l s t i e n 首先把遗传算法用于函 数优化。并于1 9 7 1 年他发表论文阐述了遗传算法用于数字反馈控制的方法。但实际上， 他主要讨论了两个变量函数优化问题。1 9 7 5 年，h o l l a n d 3 3 1 出版了第一本比较系统地论 述遗传算法的专著a d a p t a t i o ni nn a t u r a la n da r t i f i c i a ls y s t e m s ，该书系统地阐述了遗传算 法的基本理论和方法，提出了对遗传算法的理论研究和发展极为重要的模板定理 ( s c h e m at h e o r e m ) 和隐含并行性原理( i m p l i c i tp a r a l l e l i s m ) ，为遗传算法奠定了基础，这 对于以后陆续开发出来的遗传操作具有不可估量的指导作用，标志着遗传算法的诞生。 同年d ej o n g 3 4 】基于遗传算法的思想在计算机上进行了大量的纯数值函数优化计算实 验，建立了遗传算法的工作框架，得到了一些重要且具有指导意义的结论。 1 9 8 9 年，d a v i de ，g o l d b e r 9 1 3 5 j 对遗传算法的研究工作进行了归纳和总结，出版了 g e n e t i ca l g o r i t h m si ns e a r c h ，o p t i m i z a t i o na n dm a c h i l i el e a r n i n g ，全面而完整的论述了 遗传算法的基本原理与应用，提出了遗传算法的常用形式，奠定了现代遗传算法的科学 基础，极大地带动了遗传算法的应用。 1 9 9 1 ，d a v i s t 珀l 编辑出版了h a n d b o o ko f g e n e t i ca l g o r i t h m s - - 书，包括了遗传算法在 科学计算、工程技术和社会经济中的大量应用实例，在推广和普及遗传算法的应用中起 到重要的指导作用。在结构优化领域，g a 也被应用于结构优化【3 7 1 。1 9 9 1 年，g a s 被用 于计算混合离散优化问题，1 9 9 2 年将k o z a 将遗传算法应用于计算机程序的优化设计及自 陶瓷微球填充型热障涂层的隔热分析与优化 动生成，提出了遗传编码( g e n e t i cp r o g r a m m i n g ) 的概念。在控制系统的离线设计方面 遗传算法被众多使用者证明是有效的。同年遗传算法被用于解决析架结构优化问题。 由于遗传算法具有对可行解表示的广泛性、群体搜索特性、不需要辅助信息、内在 启发随机搜索特性、在搜索过程中不易陷入局部最优、用自然进化机制来表现复杂的现 象以及并行计算的能力可扩展性等等优点，它一直以来是一个热门研究课题。目前，遗 传算法的研究领域不仅仅局限于遗传算法理论本身的研究，遗传算法的应用研究也是十 分热门的课题。目前遗传算法的主要应用领域有优化问题【3 8 9 】、生产调度问题、自动控 铝l j t 4 0 “1 1 、机器人学习、图像处理、遗传编码以及机器学习中。随着遗传算法的应用领域 不断扩大，利用遗传算法进行优化和规则学习的能力也显著提高，同时遗传算法在产业 应用方面的研究仍在探索之中。遗传算法现阶段的研究重点是基本理论的开拓和深化以 及更通用、有效的操作技术和方法的研究。遗传算法现阶段研究课题主要在：( 1 ) 遗传算 法基础理论；( 2 ) 分布并行遗传算法；( 3 ) 分类系统；( 4 ) 遗传神经网络；( 5 ) 人工生命与遗 传算法的研究。 1 5 本课题的意义和主要研究内容 随着涂层的大量应用，以及社会经济发展对节能降耗，提高能源利用的呼声日益高 涨，众多生产厂家都在积极地改进涂层的隔热性能，对其材料成分，结构组成进行研究。 针对当前对陶瓷热障涂层的研究主要集中在制备、材料体系、热应力、机械性能以及寿 命预测方面，而对其隔热性能以及隔热效率等方面的研究依旧缺乏。另外陶瓷微球独特 的性质也使得被广泛研究并且大量使用，但对其作为隔热填料的研究依旧很少，其隔热 潜能仍然有待研究。因而本文将以z w l 0 0 a 陶瓷隔热涂料产品为研究对象，结合工程 实际应用以及相关应用测试，应用a n s y s 软件分析陶瓷微球的填充对涂层隔热能力的 影响，并建立陶瓷微球型热障涂层的优化模型，运用遗传优化方法与m a t l a b 进行优 化设计，得到合适的结构参数，从理论上论证工程实际操作的可行性，为涂层的设计与 施工人员提供一些科学的理论依据和参照。因此，本文对陶瓷微球填充涂层的隔热研究 才显得非常有意义。 本课题的主要研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 根据陶瓷微球填充型热障涂层的结构特点，利用a n s y s 有限元软件建立了陶 瓷微球型涂层的单元体的有限元模型，仿真分析其传热特点。并建立不同有限元模型分 析陶瓷微球的球径、陶瓷微球壁厚以及陶瓷微球的填充率对涂层隔热性能的影响规律。 大连理工大学硕士学位论文 同时建立陶瓷微球型填充涂层的有效导热系数计算式，并用傅立叶定律计算值加以验 证。 ( 2 ) 根据传热学理论，分别建立圆筒结构和平板结构热障涂层系统的温度场的数 学模型，并进行解析解求解。然后应用a n s y s 有限元软件，建立两隔热系统的有限元 模型，加载求解出两不同隔热系统温度场的有限元解，并与解析解加以比较。最后分析 两隔热系统的温度场的特点，为优化设计提供指导。 ( 3 ) 利用传热学基本理论，分别建立圆筒结构和平板结构隔热系统隔热性能的数 学模型，并在此基础上，根据前面的分析建立两隔热系统的优化设计模型，应用遗传算 法和m a t l a b 编制程序进行优化设计，并比较优化前后的隔热性能。 陶瓷微球填充型热障涂层的隔热分析与优化 2 陶瓷热障涂层分析的理论基础 2 1 传热学理论 传热学【4 2 1 是研究热量传递规律的科学，是能量守恒定律以热量形式的表现。热量传 递的基本方式分为导热、对流和热辐射。本文以陶瓷热障涂层为研究对象，由于各层的 材料参数相同，传热只在涂层厚度方向进行，所以在本章只介绍一维的传热学理论。 2 1 1热传导 热传导是物体传热的最基本的方式之一，当物体各部分之间不发生相对位移时，依 靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动进行的热量传递，称为导热。 经验表明：如果物体内存在着温度梯度，则能量就会有高温区向低温区转移，而这 种能量是以热传导的形式来传递的。单位面积的热流量正比于法向温度梯度：罢娑， 丑o x 即： g ：一觚娶 ( 2 1 ) 式中g 是热量，娶热流量方向的温度梯度。常数名是正数，并称为材料的导热系 数，a 为热流面积。式中的负号表示传热服从热力学第二定律，即热能必须沿温度梯度 降低的方向传播。 根据傅立叶定律和能量平衡方程，推导出一维热传导方程式为： 昙( 力5 d r + q = p c 罢 ( 2 2 ) 出出d f 无内热源的稳定一维热传导方程式为： 窑：o ( 2 3 ) 一= i i 【z 3j 出2 具有内热源的稳定一维热传导方程式为： 粤+ 孚：o ( 2 4 ) 出2七 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 2 1 2 对流换热 对流是由于流体各部分之间发生了相对位移，冷热流体相互掺混所引起的热量传递 方式。在涂层的传热过程中，由于外界大气和基体内壁有流体的存在，对流换热是涂层 热循环过程中重要的一环，对流换热的过程如图2 1 所示。 图2 1 平壁上的对流换热 f i g 2 1 c o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e ro np l a n e 如图2 1 所示，平壁温度是r l ，而流体的温度是瓦。由于粘性作用使速度降低，在 壁面上速度为零。因为紧贴在壁面山的流体层速度为零，所以该处必定只通过热传导方 式传热。运用方程式( 2 1 ) 就可以用流体导热系数和壁面温度梯度计算换热。 为了表示对流的全部效应，我们将使用牛顿冷却定律： g = h a ( r l 一咒) ( 2 5 ) 在此式中热流量g 与壁面及流体间的总温差和表面积a 有关。h 称为对流换热系数。 2 1 3 辐射换热 能量的传导和对流都要通过介质进行传递，但是电磁波的辐射机理则不同，热可以 在完全真空的地方传递。在本文只限于讨论由于温差引起的电磁波传播，这种电磁波辐 射成为热辐射。 热力学的研究表明：理想的辐射体( 黑体) 向外辐射的速率与物体的绝对温度的四 次方成正比。两个物体间通过辐射交换的热量与1 4 之差成正比，所以热辐射的传热公 式为： q = o - a ( t 1 4 一巧) ( 2 6 ) 式中仃为比例常数，称为斯藩玻尔兹曼常数，其数值为5 6 6 9 x 1 0 。8 w m 2 k - 4 方程式( 2 6 ) 称为热辐射的斯蒂芬一玻尔兹曼定律，此定律只适用于黑体。应当特 别注意的是：此方程式只能应用于热辐射。 陶瓷微球填充型热障涂层的隔热分析与优化 2 2 遗传算法简介 遗传算法起源于对生物系统进行的计算机模拟研究3 2 “3 1 。美国的h o l l a n d 教授及其 学生受到生物模拟技术的启发，创立了这种优化方法。这种方法是模拟自然界生物进化 机制发展起来的随机全局搜索和优化方法。它借鉴了达尔文的进化论和孟德尔的遗传学 说，其本质是一种高效、并行、全局搜索的方法。遗传算法模拟了自然选择和遗传中发 生的复制、交叉和变异等现象，从任一初始种群出发，通过随机选择、交叉和变异操作， 产生一群更适应环境的个体，使群体进化至i j 搜索空间中越来越好的区域。这样一代一代 地不断繁衍进化，最后收敛到一群最适应环境的个体，求得问题的最优解。遗传算法可 表示为： s g a = ( c ，e ，p ，m ，f ，甲，丁) ( 2 7 ) 式中c 为个体的编码方法；e 为个体适应度评价函数；p 为初始种群；m 为种群大 小；为选择算子；r 为交叉算子；甲为变异算子；t 为遗传运算终止条件。 遗传算法主要分为四个步骤：1 、参数编码与解码；2 、生成初始群体；3 、个体适 应度的检测评估；4 、选择、交叉和变异算子的确定。下面对四个步骤进行说明： ( 1 ) 参数编码与解码 遗传算法使用固定长度的二进制符号串来表示群体中的个体，其等位基因由二进制 数组成。 a ) 编码：设某一参数的取值范围为【u ，】，用长度为k 的二进制编码符号来表示该 参数，则它总共产生2 k 种不同的编码，可使参数编码时的对应关系为： 。0 0 0 0 。0 0 0 0 0 = 0 一q 0 0 0 0 0 0 0 0 1 = 1 一u + 万 0 0 0 0 0 0 0 1 0 = 2 寸u + 2 万 ； 1 1 1 l 1 1 1 1 1 = 2 一l 专 址 其中万= ( u s u ) ( 2 一1 ) b ) 解码，假设某一个体的编码为玩玩一，玩掣j 2 b l ，则对应的解码公式为： x ：u + ( 圭包2 k - t ) 了v ：- _ u , ( 2 8 ) i = 1 二一 ( 2 ) 初始群体的生成 大连理工大学硕士学位论文 初始群体的生成是利用随机的方法在参数的取值范围内生成一定数量的 二进制参数。通常这个初始的二进制参数的个数位于2 0 到1 0 0 之间。 ( 3 ) 个体适应度的检测评估 遗传算法按与个体适应度成正比的概率来决定当前群体中各个个体遗传 到下一代群体中的机会多少。为了正确估计这个概率，要求所有个体的适应度必须 为非负数。所以，根据不同种类的问题，需要预先确定好由目标函数数值到个体适应度 之间的转化规律。 ( 4 ) 算子值的确定 a ) 选择算子 比例选择算子是利用各个个体适应度的概率决定其子孙遗留的可能性。若设种群数 为m ，个体f 的适应度为z ，则个体f 被选取的概率为： | n 只= ，z ( 2 9 ) ， j = l 当个体选择的概率给定后，产生【o ，1 1 之间的均匀随机数来决定哪个个体参加交配。 若个体选择的概率大，则能被多次选中，它的遗传基因就会在种群中扩大；若个体选择的 概率小，则被淘汰。 b ) 交叉算子 任意挑选经过选择操作后种群中两个个体作为交叉对象，随机产生一个交叉点位 置，两个个体在交叉点位置互换部分基因码，形成两个子个体。交叉的概率一般取 0 4 0 9 9 0 c ) 变异算子 为了避免问题过早收敛，对于二进制的基因码组成的个体种群，实现基因码的小概 率翻转，即0 变为l ，l 变为0 。变异概率一般取0 0 0 0 1 0 1 0 2 3 本章小结 本章首先简要的介绍了传热学基本理论中的热传导，热对流和热辐射基本理论。随 后简要的介绍了遗传算法的遗传编码与解码、个体适应度的检测评估以及算子值的确 定。 陶瓷微球填充型热障滁层的隔热分析与优化 3 陶瓷微球隔热分析 31 陶瓷微球隔热原理 311微米纳米空腔物体的保温机理 真空隔热( 保温) 一般有三种形式：高真空双层壁；高真空的型腔，型腔内柏一定数 量的中间抛光薄片作为反射屏，它能很好地反射光线，以防止热量辐射传递；有粉末状 的物质或者轻质纤维的型腔，这类粉末或者轻质纤维有良好的隔热保温特陛。但无论哪 种隔热保温方法，郁包括三种热量，即： q = 如一吼+ ( 31 ) 式巾q 为隔热保温材料壳体传递的热量，婊壳取决丁壳体的结构i 结为隔热 保温材料之间填充气体的传导热量和气体对流所传递的热最；q 为辐刖传热。 如果是高真空隔热保温，那么在不同温度下两个表而所建立的隔热保湍壳体内，需 要1 0 “p a 左右的真空，这几乎完全排除了。l 体传递的热量，即鳊。当真宅隔热保温材 料壳体内真空度达到1 0 “p a 时气体分予数量大大减少，分子的门由行程可咀达几百厚 米，即分子的自i = | _ | 度很大，分子相互碰撞概率很小，因此分子热传递大大减弱。陶瓷微 球正具有这样的槲似结构，具自作为隔热涂料填充物的潜能。 刚3 l 陶瓷空心微球s e m 照片2 f i g3l t h es e m p h o t o g r a p ho f c e r a m l cc e n n o s p h e r e 312 陶瓷微球的主要功能 ( 1 ) 控制气体传导及对流传热 鬣 大连理工大学硕士学位论文 陶瓷微球可以用于限制在涂层中一些气体分子的运动空间，从而阻止对流及气体传 导两种传热。根据传热理论，密闭气孔孔径愈小，气体的对流及传导就愈少，当密闭气孔 的孔径与气体分子的平均自由程相当时，气孔内的空气分子则失去了自由流动的能力， 而是相对地附着在气孔壁上，这时材料处于近似于真空状态，气体的对流及传导传热基 本上被阻止。 ( 2 ) 红外遮蔽及散射 在高真空度条件下，辐射传热是热量传递的主要形式。当壳体内真空度达到 l x l 0 - 2 一l x l o - 3 p a 时，若真空隔热保温壳体内填充有粉末状片状填料，则系统的隔热保 温能力可增加几倍，这是因为在真空隔热保温壳体内填充粉末片状填料可以减少( 或消除) 辐射热传递。微球内外壁面的辐射反射率很高，可以起到对红外热辐射进行吸收、散射 的作用，增大了陶瓷绝热防腐涂层两表面的温度差，也就是增大了陶瓷绝热防腐涂层的 传热热阻，从而降低了其导热系数。 1 s i g h l 砌辩瓷体2 空腔j 抛光越4 基体 图3 2 陶瓷微球的结构示意图 f i g3 2 t h es t r u c t u r eo f c e r a m i cm i c r o s p h e r e 3 2 陶瓷微球传热特点分析 3 2 1温度场的基本方程 对于三维温度场，当微元体升温所需的热量与传入微元体的热量以及微元体内热源 产生的热量相平衡时，在直角坐标系中，场变量o ( x ，y ，z ，t ) 满足如下热平衡方程和三类 传热边界条件及初始条件。 热平衡方程： 等+ 窘+ 粤+ q o z 允= 丝a o t c 3 2 ， 叙2由2 2 允 上式中q 为热流密度，入为导热系数，a 为对流热换热系数。 陶瓷微球填充型热障涂层的隔热分析与优化 第一类边界条件( 即恒定温度) ： io l r = 氏 i o f r = f ( x ，y , t ) 式中：i 为物体边界( 逆时针方向) ，氏已知壁面温度， 第二类边界条件( 即恒定热流密度) ： 一a o o - c l r ：q 2 2 q 2 o n 一五00|r：g(x，y