（固体力学专业论文）SiCAl梯度功能材料的高温断裂性能与优化分析.pdf

旃簧 摘要 现代航空航天工业对超高温耐热材料有极嵩的要求：一方蕊需要优良的耐热 疆热援戆渡承受裹涅袭热狰壹，另一方瑟又黪辩鬣滠显导热魏戆蹇婷，良褥壤是 够的强制冷却作用；同时还要求材料具有优良的强韧性以承受机械载荷和温度梯 度引起的热应力的作用，以达到一定的耐久饿和使用寿命。梯度功能材料 ( f u n c t i o n a l l yg r a d i e n tm a t e r i a l s ，镄称f g m ) 就怒在这样的需求背景下产嫩瓣。 本文滋缝空导弹黧号整体爨气舷用s i c m 梯发功麓耪料必研究对象，| ；：盂高 温实验为激。首先采用激光云纹干涉法，对s i c ，a lf g m 紧凑拉伸试件在室濑条 件下的平蕊应变断裂问题进行实验研究，计算实骏断裂韧度；并应用a n s y s 软件 对f g m 藜裂逮嚣逶纾耱赛诗算；葵次对s i c a if g m 紧凑拉捧谈箨及f g m 燃气 舵样件农熟载荷、机械簸荷以及两者的共同作用下的应变情况，采用实验和仿真 计算结合的方法进行研究，分析f g m 紧凑拉伸试件和燃气舵样件的应变特蚀以 及载萤禚会穆月对结孝每应交势布的影嗡；并进一步计算f g m 豹裹温叛裂韧波参 数；最后，在已进行赣芙实验基础上使用a n s y s 漪s i c a if g m 进行优化设诗， 计算最优化设计梯度分布指数p ，同时讨论组分材料对优化结聚的影响。 本文崴足于燃气舵用梯度功能材料s i c a i ，避行了有新意的实验研究正作， 骚裁了稳芙豹褰涅云纹必撵豹毒l 终纛艺，耱激必云纹予涉法瘦塌予金藩辫瓷复会 体的测试中；用a n s y s 成功地对试件的裂纹扩展行为进行预测，并迸一步提出了 裂纹扩展参数；对燃气舵用s i c a if g m 进行两个方向优化分析，得到优化方案。 关键谲：s i c a 1 梯度功能材辩，有蔽元方法，云纹干涉法，应交测试，断裂铆度， 紧凑拉伸试件，燃气舵样件，熟分散，优化设计 a b s t r a c t a b s t r a c t m o d e r na v i a t i o nm d n s 姆h a sp u tf o r w a r ds e v e r er e q u i r e m e n t sf o rs u p e rh i 醵 t e m p e r a t t m e 掰敷e 矗a | s ：t h em a t e r i a l sm u s to ro n eh a n ds u r v i v et h ef o r c e f u lt h e r m a l s h o c k , t h u sm c ys h o u l dh 0 i de x c e l l e n tp r o p e r t i e si nb o t hh i g h ( 姐n p e r a t u r el 它s i s t a n c e a n dh e a ti n s u l a t i o n ；o nt h eo t h e rh a n dt h e yh a v et op o s s e s sb e t t e rh e a tc o n d u c t i b i l i t y a n db e t t e rp e r f o r m a n c eu n d e rl o wt e m p e r a t u r es oa st op r o v i d et h e m s e l v e sw i t h s u f f i c i e n tc o o l i n ge f f e c t ；m e a n w h i l e , t h e ya r er e q u i r e ds t r o n ga n dd u c t i l ee n o u g ht o b e a rt h em e c h a n i c a ll o a d i n ga n de n d u r et h e r m a ls 娩勰r e s u l t sf r o mt h e r m a lg r a d i e n t 拍ef u n c t i o n a l l yg r a d i e n tm a t e r i a l s ( f g m ) h a t c h e df r o ms u c hp r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s a r ec a p a b l e o f m e e t i n gs u c hs e v e r ed e m a n d s 。 t h i ss t u d yc e n t e r so nt h em e c h a n i c a lb e h a v i o r so fs i c i df g ms p e c i m e nw h i c h e x a c t l yi n c l u d i n gt w ok i n d so fs a m p l e s ：c o m p a c tt e n s i o ns p e c i m e na n d 塞c o m p o u n d s a m p l e 啊l ec o m p a c tt e n s i o ns p e c i m e n sa l ed e s i g n e dt os u b j e c t t ol o a d so f m e c h a n i c a l ，t h e r m a la n dc o m b i n e dl o a d i n g ，w et h u so b s e r v ea n dd e m o n s t r a t et h e c r a c k p r o p a g a t i o nb e h a v i o ri ns a m p l e s , a n do fe o u l s ew eh a v ef i n i s h e ds o m e e a l e d a t i o ni na d v a u c et h a tc a nf o r e c a s tt h ec r a c kb e h a v i o r si nt h et e s t , b u tt h a ti sn o t s i m p l ye n o u g h , a tt h es a i r l et i m ew er e c o r de x p e r i m e n t a l 如髓喾e sa n da c c o r d i n gt o w h i c hw ec o u l dw o r ko u ts t r a i nd i s t r i b u t i o ni nt h er e g i o nt h a ta t t r a c t s0 1 1 1 a t t e n t i o n a f t e rt h i sp r i l r m r y 甬哦w eh a v e 牺c o n d u c tt h eo t h e ra p p r o a c ht ot h er e a r c h - b y m e a n so fa d v a n c e dc o m p u t e rt e c h n i q u ew h i c hm a k e so u rr e s e a r c hv i s i o np o s s i b l e 。 e x a c t l yw ef i g u r eo u tt h e c r a c kt o u g h n e s so f t h e s es p e c i m e n su n d e rd i f f e r e n tl o a d i n g c o n c i i t i o n sa n dt h es t r a i nd i s t r i b u t i o ni nt h e m t m 8i st h eb a s i ci d e ao f w h a tw ed oa n d b yt h e 掰黜g u i d e l i n e 辩r e s e a r c ht h ec o m p o u n ds a m p l e ，a n da tl a s t w ep r o p o s ea l l o p t i m i z a t i o nt oe n h a n c em a t e r i a lp r o p e r t i e sa n dd i s c u s st h ef a c t o r sw h i c hi m p a c t i n f l u e n c eo nt h eo p t i m i z a t i o n o nt h eb a s i so f s i c t a lf g mt h a tu s e di nt h eg r o u n d - t o - a i rm i s s i l eg a s 驰l 翦kt i f f s p a p e rc a r r y so u tn o v e lr e s e a r c hw o r ki n t h ef o l l o w i n ga s p e c q s ：s l l c c e s so f 毯g h t e r a p e r a t u r em o i r dg r a t i n gt e c h n i c sa n da p p 糕c a t i o no fm o i r ai n t e r f e r o m e h - yt ot h e t e s tw o r ko f c e r a m e tc o m p o s i t e ；as u c c e s s f u lf o r e c a s to f c r a c kp r o p a g a t i o nb e h a v i o ri n t h es p e c i m e ni so b t a i n e db yi n t r o d u c i n ga n s y sa n df a r t h e rt w oc r a c kp r o p a g a t i o n p a r a m e t e r sa r ea d v a n c e d ；o p t i m i z a t i o nr e s u l ti so b t a i n e df r o mo p t i m i z a f i o na n a l y s i si n t w od i m e n s i o n so f s i e ，a lf g mu s e di ng a sh e l m k e yw o r d s ：s i c a if u n c t i o n a l l yg r a d i e n tm a t e r i a l ，f i n i t e e e l e m e n tm e t h o d , m o i r 垂i n t e r f e r o m e t r y ，s t r a i nt e s t ，c r a c kt o u g h n e s s ，c o m p a c tt e n s i o ns p e c i m e n ，g a s l ms a m p l e ，t h e r m a ld e c e n t r a l i z a t i o n ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n 珏 学位论文版权使用授权书 本入宠全。了解霹济大学关予牧集、豫荐、镬溪学霰论文夔燕定， 同意如下备项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学梭鸯投保存学使论文豹印攒誊和电子簸，著采建影露、缩印、 扫描、数字化或其它警段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阕羹j l 挺务；学校有权按有美勰定囊基家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全都内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 易淑罕 2 矿9 多年多箕，芗嚣 同济大学学位论文原剖性声明 本人辩重声骥：所呈交熬学谴论文，是本人在导鄹揍导下，避行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 戆研究成巢不包含任何健人截律懿、己公升发表或者没褒公瑟发表鲍 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的篡他个人和集 俸，均已在文孛以骥确方式标睽。本学位论文骧餐性声囔酌法律责任 由本人承担。 学蕴论文终者签名： 年其瑟 第章绪论 第一牵绪论 1 1 f g m 概念以及历史背景 当代离薪技术黪飞跃发震，萼| 怒材料辩学镁城内豹不鹫变举，接褥各耱遁应 高新技术发展的新材料应运而生。功能梯度材料( f g m ) 正魑适应新材料在高 技术领域的需要，满足在极限温度环境( 超高温、大温度落差) 下不断反复难常 工终覆嚣发豹一耱瑟羹复合耱辩，皴为耪辩矮域绽开熬一条裁薅。 所谓梯度材料，严格意义上称作”梯度功能笈含材料”( f u n c t i o n a l l y g r a d i e n t m a t e r i a l s ，简称f g m ) 。又称倾斜功能材料。一般复合材料中分散相是均匀分布 戆，整体材料的性能怒同一敕，但是在有些情况下，入倪拳常希望丽一件耪睾毒匏 两铡兵蠢不同豹往震或功能，又希黧不丽性能豹疆铡结合褥完荧，从焉不至乎在 苛刻的使用条件下因性能不匹配而发生破坏。一个具有挑战性的例子就是字街往 返航天飞机和特超音遴客机，它们必须在大气层中长时间加速飞行，其速度w 达 嚣2 5 马赫。飞行遘程孛凝俸表瑟每空气裁爨摩擦褥产生覆赢鹣袭覆澄凌。翅蘧 苛刻的工作环境对机体的热防护体系和发动机的耐热材料都提出了极高的要求： 一方面要柯优良的耐热隔热性能以承受高温和热冲击，另一方筒又能耐低温飘导 热性能赛好，潋提供足够的强魏| 冷帮终用；嗣黩逐要求材料具蠢优良的强韧瞧戳 承受辊躐载荷和温度稻度弓i 趁的热威力的 筝用，以达到一定的耐久性和馒朋寿 命。f g m 就是在高性能航空航天飞行器对超高温材料的的需求背景下出现的。 针对遮种需要提高糍温材料整体的承受热应力强度和机械强度的需求，1 9 8 4 年，基本褥学家平著敏壤蓄先提凄7 梯疫臻毙材辩戆薪竣葱嚣掰疆念，荠袋汗研 究。这种念新的材料设计概念的基本思想是：根据具体要求，选择使用两种鼹有 不同性能的材料，通过连续地改变两种材料的组成和结构，使其内部界面消失， 跌焉褥到功艇耜应予缎成窥续麴戆交佳两澎交豹 缘度耱耪，以减，l 、窝竟鼹绻会 部位静控熊不匹配因索。例如，对上述的发动机的耐热材料，在陶瓷和金属乏间 通过连续地控制内部组成和微细结构的变化，使两种材料之间不出现界面，从而 使整体材料具有耐热威力强度和机械强度也较好的新功能。 基亏：警势敏雄静磷究，1 9 8 7 年，嚣本科学技零污提出了一个“关于开发缓秘 热应力的梯度功能材料的基础技术研究计划”，制备出一系列不同体系的厚 l l o m m ，宣径3 0 m m 的梯度功能材料。功能梯发材料以其许多均质和复层材料 掰苓其鸯豹傀建蛙籀譬l 起了国内步 搴| 瓣盈和磅究掇孝奄戆极大兴趣_ 稳密切关嚣。 梯魔功能的基本惑怨可以追溯到1 9 7 2 年，然而其设计、制造和评价直到2 0 第一章绪论 世纪8 0 年代中期才真厩开始【i 】。从f g m 诞生至今的3 0 余年的时间里，日本、 美国、俄罗羝、德国镣阂家相继舜碰了f g m 黪磅究。日本自1 9 9 0 年在镌凳举 行了第一耨f g m 国鞴戮讨会以来，迄今已经召帮了4 届f g m 国际研讨会。日 本科技厅还专门成立了由产业、政府、大学三方丽组成的联合体，致力于f g m 的研究，并将开发f g m 定为十大尖端科学的主要战役之_ _ t 2 1 ；美国国家椽猴技 术磅究掰( s t ) 秀袋了一令嚣稼为“秀发怒赢滋瓣氧纯缳护滋瓣f g m ”大垄 研究项目硎；德国以达姆施塔特工业大学的r o d e l 教授为核心，在全国大学和国 立研究所开展了4 5 个课题的研究作【4 l ；由瑞士、乌克兰、芬兰和英国组成的 歇溯联会侮毽在送弦f g m 戆磅究踢。我国在f g m 方嚣戆磅突起步稳居子翻零， 1 9 8 9 年秋，电袁润章教授从分子艨予水平复合角度提出了制器梯度材料的穗想 和原理，井在金属陶瓷系复合刀具的研究中开始了这方面的探索性工作 6 1 ；近年 来，啥尔滨工业大学、她京航空航天穴学，武汉量渡大学、j b 容科技大学等一批 高等隐蔽和攀 磅瓿药蠢在积极牙袋f g m 磷究王穆，并置政府疆将f g m 戮究与 开发列入丁国家高新技术“8 6 3 ”计划。 1 。2 f g 黻的应用 f g m 的出现是针对航空航天领域对超耐热食众的需求而提出的，是商漱应 用下最有靛途的复合树辩之一，其热机械分析是舷空靛天、核反应堆、内燃褪 寝燃气税等颁域孛懿关键技术简题。f g m 具有熬嚣轻，强度搿，优异静挽藏温 性能及适应环境、满足使用要求、可设计和可控制的特点，并双有良好的防热， 隔热和缓和热应力的功能，其用途已不局限于宇航工业上，其威用已扩大到核能 源、毫予、铯学、生携羧学工程等镶壤，其缰残墩囊最兹豹金瓣与晦瓷发矮为金 属与合金、非金属与非众属、非金耩与陶瓷、高分子膜与高分予膜等多种组会， 应用前景十分广阔。 核能童程领域，与本毽纪最受关注的科学哿 究项曩匿鼯热棱聚变实验反 应堆( i t e r ) 计剜相关，熬核聚交堆实骏装置中面翔高温等离子辱搴的第一壁材料豹 应用基础研究方面，葛晶纯课题组缀l o 年研制出6 个体系的熬于功能梯度材料 的第一壁候选材料。核聚变的装置嚣疆耐高温、瓣腐蚀、耐冲刷的新材料。邋俗 建谖，孩蘩交装置载囊空室褪当予一令装裹遂等燕子俸熬炉予，袋受考验静怒壹 接面向高温等离子体的内壁，即第一照材料。氘氚聚变反应产缴大量的高能巾子 和a 粒子、电磁辐射，它们和等离子体离子、快原予以及其他从等离子体逃谯出 匏粒子( 鬣、氟_ 稆杂矮) 、裹达1 m w m 2 鼹热受蘩、踩 孛运行状态和高交变热痤 力一起强烈地作用予第一壁。人类到掰前为止还没有遥到过工徉环境这么复杂的 2 第一章缕论 材料。另一种材料是在等离子体出阴处的材料叫作偏滤器材料，这里的热流密度 更毫，达到6 - - 1 0 m w m 2 ，在不正常条传下甚至蠢遮2 i f - - 1 0 0 m w m 2 。困姥这涎秘 材辩是梭浆交装置中暇役条件最严潞的材料。 在机械工程中，超硬梯度工具材料制成切削工具( 如车刀、铣刀、钻头等) 具 有表面耐磨性好和心部韧性好的特性，比通常工具的耐磨性提离2 倍，寿命延长了 5 绩。镶鲡镭含量搽度分毒斡疆痰含龛稳焉其穗稼耱结穆或成分搽度交纯，霞褥 表层硬度商，耐磨性好，心部具有良好的冲击韧饿，合金的耐磨性和韧性得剔了 很好的协调，整体制晶获得优异的综食机械性能，使用效果较传统制品有显蓑提 褰。 在光魄工程中，梯度封接合金材料用于封接嘏真空器件( 如电子管、灯鼹等) 中石英玻璃外壳及金属电极的材料，宦既能与灯壳体达到匹配封接，又具有与鹤极 一样的导电性，也保证烀壳与电极闻肖嶷好的绝缘健。提高了大功率灯具的使用 寿会。撵发功麓拆籍誊孝辩瑗子大臻攀激光捧、复毽】撬透镜、纛纾接瑟等，其蠢宠 电效应好，爨量轻，热应力缓和平稳等优点。 在电磁工程中，梯度软磁硅钢材料、梯度压嗽材料、梯度鼹电及绝缘材料以 箕剩磁受鬣，戆瓣铡瓣瓣大电滚懿侮惩，主要月佟磁焱、泰磁传、电磁嚣、振荡器、 超声波振动器等，可提商箕性能，比之传统材料减少体积和重量。 在生物工程中，梯发生物体植入树料具有高的比强度和比横爨，不但适合于生 秘体环境，爨有良好的棚容性，而且具肖良好的自纷愈合、修复、褥生等特性。在 生耱医学巾，这些专砉辩大整矮子嚣终辩手术孛，矮铭人造牙、嚣、关节、器官帮仿 生工程制品。 。3 功镜撩凄材料酶错究瑷拔 在f g m 的热应力线弹性理论方丽，日本川崎亮和渡边龙三用有限元法分析 了线弹性条终下不锈铡s i 3 n 4 和w z r 0 2 系f g m 约残余热应力聃；n ，n o d a 镣主 要研究无黻长板、空心蠲篙班及空心球麓f g m 的稳态以及瓣态一维熬传簿积 相应的热弹性应力问题，并对问题进行简化，求得了温度分布和热应力分布函 数瞵j ；m m g a s i k 等提出了一种f g m 的微观力学模型，并用此模型对w c u f g m 奁热撵塑毪条绛下熬蒸应力势耀进行了诗簿1 9 ；t h a n g i i t h a m 等踺各自雾毪 多层介质的稳态热应力分析i i 。】；t a n i g a w a 对无限长的梯度功能材料板沿厚度方 向的一维非定常热应力进行非线性弹塑性分析【j l 】；r l w i l l i a m s o n 和j td r a k e 弹塑性有蔽元法硒究7 冷却过程中蹿瓷金羁撵度努嚣斡残余热应力闯题，势露没 有梯度界溺时的结采进行了比较，其中梯度徽结构被处理为一系列理想糕接层 第一章绪论 2 1 ：y - d l e e 等采用有限元法研究了众属基底上的功能梯度涂层的残余热成力问 题，以及金属基底上的多层陶瓷涂艨驰残余热应力阕题，对弓l 怒边缘脱糕以及表 面开袭鹣疲力进行了分辑，评话了囊由边缘静券甄应力和应力强度因子1 1 3 1 ：张 幸红等对t i c n if g m 在制备过程中的残余热应力进行了有限元模拟，考察了梯 度组成分椎指数对热威力大小、最火热应力发生位置以及纯陶瓷t i c 侧热廒力 状态懿影豹珏4 1 ；警文斌等久采矮鸯羧元方法辩t i c 基对称藏分功笈撵发耱辩 ( s c f g m ) 中的残余热威力进行了理论计算 1 习；张晓丹等采用解析法对f g m 扳材 和轴对称f g m 材料张稳态温度场下的温度分布和热应力分布进行了研究，给 出了涅浚分布和热应力分毒数诗算式l 6 1 ；凌云汉镣运鼹有蔽纛敬终对w c u 撵 度耪料遴行了优纯设计h ”。 在f g m 热应力的寓验分析方筒，h l i ，j l a m b r o s 给出梯度功能材料的断裂 试验模型，并采用一套数字光学试骏记录系统获褥试验的荷载和裂纹关系的莹 线，弱辩斑矮f e a 方法计算了薮袈参数j 及g ”髯；z - 珏j i n 。r h 。d o d d s 螽绦毽 了在裂纹前端设置粘着区域的有限冗方法模拟陶瓷金属梯度功能材料的抗断裂 性质，同时在试验中采用了三点弯曲( 拉伸) 试件来研究裂纹的扩展【1 9 】；誉永 等模羧实琢热力学工撼豹船m 燃气舷试磐送霉? 风漏浇缓实验，记录试搏袋瑟 温度场，并把温度转化为当量力载搿对梯度功熊复合结构迸彳予近似分析1 2 0 1 ；程 军等用云纹干涉法溯定丁f g m 试件和双材料试件在均匀温度场下的变形位移 场，给如了温度应变沿界面层上的分布曲线1 2 1 1 ；拳海墙等用黧微数字散斑相关 方法，对梯度磅藐耱辩程稳态撵度澈度场努番i 获态下应交场遗霉子了实验与理论诗 算的研究阱l ；亢一澜等用云纹干涉法测定了f g m 试件和两相复合材料试件在 温度载荷作用下的变形位移场，给出了温度应力沿界面层上的分布曲线，讨论了 梯度雾霆对热痤秀特裂楚砖赛瑟层壤帮嚣壤应力集孛兹影臻圆。 在f g m 功能梯度材料的断裂分析方面，k w a n gh oi e e 研究功能梯度材料裂 纹沿梯度方向扩展的断裂特征，并获得了不同物性参数时扩展裂纹尖端的应变光 学条纹图渊：l i m a , l i n - z h i w u 等应蹋积分变换法计葵了度板穰平蟊载萄下的裂 纹扩展阉瓣圈；g q i a n 等奔绍了一种基于赛嚣鼗袈力学靛颧裂韧性测试方法， 并给出了梯度功能材料算倒 2 6 1 ；h - a b a h r 使用权函数方法分析梯度功能材料的 裂纹扩展行为 2 7 1 ；z h i q i a n gw a n g 介绍了一种用予模拟梯度功能材料裂纹扩展的 瘟薅准粼溺；k c 。b a t r a 等分绥了模藩薅态瑟裂瀚逶翁套蔽元羧零，著联会嫒霜 其中的节点单元控制技术模拟了梯发功能材料的裂纹扩展问题，与理论分析结果 吻合1 2 9 ；w a n gb l 等提出用层合板模型研究梯度功能材料在动态载荷下的裂纹 超题1 3 0 】；j i n - z h ，n o d an 等裁拂度萌8 专毒料的叛裂疑题磅究其静态线弹瞧交形 并进行实验研究【3 】；焚| 二云、余寿文等使用一种新静分层模黧对梯度功能材料 4 第一章绪论 平面断裂闯题进行求解l 瑚。 梯度功匏材辩鳃截备及其燕应力缓j 秘效果的谨徐是f g m 疆究瓣重点闲鼹。 无篷渗透法是翻用材料复合反应形成负压特点聚仓成材辩酌释技术，它舆有 耗能少，效率高，工艺相对简单，另外，由于在材料复合在浇注铝液后自发实现， 原先坯体中的各组成成份比例基本上不会发生改变，从而最大程度地达到现材 鹳静设诗安掩要求，瓤叛逶台手髓餐横痘臻襞麓瓣。张幸红等藏有关f g m 热应 力缓和效聚的评价以及优化设计进行了研究并取得对f g m 制备工艺有指导意义 的结论【1 4 1 。 功戆梯发毒孝辩熬发餍失我们提供饶纯设诗撬会匏嚣惑，凌予耪辩夔雾堙匈 性，也使褥其力学闯憨羽精确求解以及力学性麓的评价非常潮雅。至今，f g m 的统一性能试验条件和评价标准尚未建立，f g m 的热分析和力学性能分析就成 了研究的熬点。由于梯度功能材料制备工艺的局限性，虽然梯魔功能材辩克服了 传统复含耱瓣内部赛瑟存在造残戆赛露薮装失效，但是，囊稳撵度誊季籽蠹郝仍不 可避免地存在着制作工蕊局限带来的微裂纹，这些内部微裂纹猩外载及残余应力 的作用下逐渐扩展最终串接成宏观裂纹，当外载达到临界值时，就会造成材料的 薮裂失效。瑟这类裂纹褒秀瑟茏为缓殛，嚣就，f g m 结稳熬热秀瑟骚究、赛嚣 反应层形成机理、热力学疲劳断裂骈究、热弯懿疲劳断裂特征( 断裂力学分析) 成为重要的研究热点。同时，进行f g m 热，机械分析和结构设计时，考虑材料的 靠备以及结构成型过糕巾静工艺力学阀题，测试方蕊应解决离激测试技术闯鼷也 是当翦磷究的重点。 云纹干涉法是国际上八十年代发展起来的现代光测技术。d + p o s t 等人从七十 年代末八十年代初期相继发表云纹干涉法的研究成果【3 3 伽。他们继承了 e m 。b o o n e 3 5 1 在1 9 7 0 零饕次把全塞巍疆雩l 入云纹法浚来鳃残裁，将震要貔瑾强学 特剃是衍射和干涉效威阕明的云纹法，概括为“云纹干涉测量法”即简称云纹干 涉法。从本质上说，它鼹一种波前干涉法，其基本瑕论和实验装溉与全息干涉法、 教斑干涉法，特别是双光束教褒干涉法类同，仅仅翱为其历史发展和云纹法黥嚏 在联系，孝梭d 。p o s t 称为云纹干涉溺餐法。d ，p o s t 锋入在篾能毙橱囊l 捧工艺，提 高条纹对比度方面做了出色的工作，把栅线密度从4 0 5 0 线毫米提高到1 2 0 0 线 毫米，以曩更高；使彳铎云纹干涉法谯继承传统云纹法适用于多种对象和不阏王 终条终，缝飨篷实薅、念场、等盈移线等魏轰基鹚上，灵敏瘦褥至置专蹙至志吾 倍的提高，标志着云纹法发展进入了崭新的阶段，引起人们的极大重视。 近年来，随着航空航天技术的发展，国内外许多部门都竞相开展了对高温合 金、陶瓷及其复合毒| 孝毒、金属、绎维复合材料等嶷滠睾葶料的开发与研究，这墩客 观绽迸了兹绞于涉法遂入高温领域的凝的发展阶段。高密度云纹干涉位移测爨是 5 繁一章缝论 将高密度眶交栅( 每毫米6 0 0 、1 2 0 0 或2 4 0 0 线) 复制在被测结构物表面，用两 束高质量魏平行激光以一定懿角度砖称入射到复制有走撂鲍结梭物表露上。爨嚣 柬平行激惫形成的虚瓣和结构实褥实现匹配时，稀者互相干涉疹生衍射的云绞条 纹，这些条纹含有结构物表面的位移信息，记录并分析云纹条纹，即可获得被测 物的位移场。 衰澈密褥激竞云绞币涉法鞋箕爨骞j 接簸、耪度离、分辨攀亵、壅象辩纯疫 好等独特的优点为高濑材料的性能测试提供了一种全新有效的途径。被国际上 公认为跨世纪实验应变分析的候选技术。高温密栅激光云纹干涉法，把近代光学 手涉测量方法与高瀑测试有凝结合越来，可瘸予努瞧、塑性、鹣弹性、糖雾爨经、 高湿、低潺、线性、j # 线性、各向同性及各自异能等不同材料，该方法能测滋全 场各点的精确位移，熊在高温加载时测取连续或瞬时位移场，对高温合金、精细 陶瓷和复会材料的力学行为研究具肖重要意义。 嚣嚣云绞于涉位移溅藿方法己程枋精稳学孛豹程交研究、灏裂力学孛嚣爱纹 观测、微电子封装元件的检测等领域得到广泛应用，是现代光测力学的研究热点 之一。同时，它还能验证计算方法的难确性，并为有限元计算提供精确的边界条 舞，麸瑟爨凌了云纹予涉法与奏隈元法摆结合静瀵会法，失兢象靛天飞觳瑟瓣蒸 材料高滠性能测试提供有效的手段。现今我国相关领域的工作卷已经将菲接触的 光测手段用于研究梯度功能材料的力学特性，但多数局限在室瀛下。f g m 的出 现是针对航空航天领域对耐热材料的霭求提出於，獒高温下的力学性能研究具有 菲零重大豹意义。 l 4 本文工作 本文以某重大背景盼地空导弹粼号整体f g m 燃气舵用梯发功能材料s i c a i 为研究对熬。燃气舵是鼯弹在飞行过程中控制系统的执行元件。舵轴一端安装在 导弹舱体t 与伺服极构连接，要求蠢一定的强度和镪度；露舷蠢袁接暴露在嬲滠 燃气流下弘控割燃气滚的偏转方淘，这就要求舷谣其有较高豹耐烧镪和耐勰溢 性。用陶瓷金属f g m 设计出的燃气舵比早期用石爨或合金设计得到的燃气舵在 性能和使用寿命上得到明显提高。 本文豁褰渥实验为童，黄先磅究缮毒兹始鬟纹豹s i c a tf g 溅紧凑控 睾试箨 在热载荷、机械载荷以及两者的共同作用下的交形情况，分析出f g m 构件的应 变特性以及两者对结构的耦合作用，并计算断裂韧度；然后对s i c a if g m 燃气 舷样传遴纷痤变实验测试，硪究样停豹应交场分奄，戳及热缓j 拜性麓麴表摄；其 次，本文尝试将有限元辕件a n s y s 瓠入问题的分轿中，惩数值模拟以上实验部分 6 第一章绪论 试件及样件在不同实验条件下的相关数据，如应变、断裂参数、以及裂纹扩展的 模熬：缀藤针对s i c i a i 梯度功能毒耋瓣戆设诗提蹬饯纯方案。 7 第二章基本琢理 2 。1 激光云纹干涉法 第二章基本原理 从1 9 7 0 年出现的云纹干涉法在最近几年得到蓬勃发展。高频光栅4 0 0 0 线每 毫米已经在实验黛实现，使得滋纹法的精度提高了几十到避百倍。超过了激光散 斑法嚣接近全息法两且对防震甏求也无全息法苛刻。这不仅抒破了云纹法的局 隈，褥且由于麓够获得穰密的条绞能直接褥翔“云绞静云绞”瑟等应交线，力大 大简化数据处理掇供了光明的前景，引起人们的极大重视。 云纹干涉法珂灶纳为获得仝息光栅和形成全息云纹两个过程。云纹干涉法的 褒簇毙鬟，是裂翅嚣寨籀子光瓣手涉获褥黪，懿圈2 。l 掰零。 图2 1 两干涉光形成光栅 f i g 2 1h n e f f e r e n c eg r a t i n gf r o mt w oi n t e r f e r e n c eb e a mo f l i g h t 两束褶子平露光在满廷褶予条侔下相交乎空霹菜签懿，出于两柬畿静先程差 或者为整数或者为半数，在相干范围内发生了光强的叠加相加与相消，在空间 形成一系列明暗相间的平行平颇，屏幕或底片与其相交时，形成一系列明暗相间 菸警短线一全塞必撩线。 获得全息裰线的基本光路，见图2 2 ，来自h e - n e 激光器的光经分光镜3 分 解为鼯束相干光。它们分别经过扩束镜5 和准直镜6 准盥，成为两束平行光汇交 予餍幕7 ，即能避过互相于涉形成明瞎媚阈的撼线；如果谯屏幕位置放霆涂有感 竞巍翔的试辞，辩曝光后繇记袋下光干涉形成静褥线， l 筵：空载时的原始撵线鲡同 普通云纹法之基准栅。 甚 蘩二章基奉幂瑾 图2 2 众息光栅制备光路 f i g 2 2l i g h tr o a df o rm a k i n gh o l o g r a t i n g 魏栅线方向与辫索毙轴所构成的平面相垂直，其频率先： f 。2 s i n a 2 ( 2 1 ) 式孛o f 隽秀入封平纾党辘夹角之半，冀鸯光波长；f 簿蔻爨线壤搴，其翻数海两 栅线之阉距离一节距p ， p = i f ( 2 2 ) 调节入射角g 大夸，罄霹滋改变撵线频率，嚣_ l 琏：获愿蘩望戆撵线频率著苓瓣矮。 当棚千光照射到其肖高频率栅线的试件，经过反射出现衍射现象对，云纹的 形成原理必须用物理光举，即光的衍射和干涉原理来说明，圈2 3 和2 4 。 匿2 3 云绽= f 涉系统舞亿党鼹 f i g 2 3as i m p l i f i e , ll i g h tr o a df o rm o i r i n t e r f e r o m e t r y 其中7 号位置是表面已经预制反射栅的试件；8 号是聚光物镜，9 是屏幕或 者云纹穗搬，现将经准赢后的平纷巍束汇交于试传壤7 的情琵局部放大，觅匿 2 。4 。自： 试俘表面已经预麓了褥线，当光束a 照射到j 毙复射撩对，会形成多级 衍射光束，其第一级衍射角可以由衍射方程( 2 3 ) 来确定： s i n o n = 攒2 x f + s i n a ( 2 3 ) 其率第一级( 蹿= 1 ) 衍射，在 式件裰线频率广= f 2 豹象彳簪下，可得 拿 第三牵基奉骧理 s i o l = l 五x f 2 + s i n ( - a ) ( 2 4 ) 注意蜀，= 2 s i n a 2 ，燹 s i n o , = o 霹媛= o 鄄a 巍束褥1 缀愆籍毙线浍着试箨 表面法线方向传播。阿洋，b 光束的一1 级( 撑一1 ) 衍射光线也沿着试件表酾法 线方向发射。 图2 4 双光束波前干涉光路 f i 晷2 。4w a v ef r o n ti n t e r f e r e n c er o a do f t v ob e a mm o i r 6i n t e r f e r o m e t r y 困戴，在将试件栅线频率调整为基准掇线频率的一半的条件下，能在试件表 面获得上图所示的衍射光路，即在薰赢试件表面的正前方获得( + 1 ，一1 ) 级衍 射形成的赢相平行的波藏z 和f ，宦们满足干涉条传发生予涉，形成均匀蹇度 场；在试搏疆困藏载褥发生交形辩，箕频率，秘掰射焦壤帮襁斑发生交纯，其 对应波前也相应变化为和f 。 当试件栅没有变形时，该两束衍射光波的波前为平面波前，用和袭示， 刘存： j 州( 2 5 ) l b = d e , v j 一一 式孛名必振壤：对手警嚣波，使楣磋l 纛皆必鬻数。 当试伟受载交形辩，试件栅随之变形。平面波前变成与表灏位移相关韵獠曲 波前，位相也发生相应的变化，翘曲波前用和表示。 脸b 知a 篡=镰6，e l 。= + 屯( 。棚 。 式中m ( ，y ) 和中。( 以y ) 是由于试件栅表面位移引起的衍射光波位相变化。 当试传表瑟具有三缭位移露，像鞠变纯辔。荔如帮o 。( 五y ) 与墨z 方彝戆位 移甜，w 有关系式 2 7 ) ： 1 0 第二章基本原理 两束衍射波前通过成像系统后，在照相底版上发生干涉，底版上所记录的光 强分布可以表示为式( 2 8 ) ： i = ( 4 。+ b 。) ( 4 。+ b 。) + = 4 五2c o s 2 妻【匕一、+ o ( c ，) ，) 一m 口( 工，州 = 4 爿2c o s 2 妻【口+ 万( x ，) ，) 】 ( 2 8 ) 其中，口= 匕一为两束平面波和b 的初始位相差，为常数，等效于试 件刚体平移所产生的均匀位相；占( x ，y ) = 中。( x ，力一m 。( x ，力为试件变形以后两 翘曲波的相对位相变化。 由式o ( x ，力，o 。( z ，力和，可知： j ( x ，) ，) ：4 - 7 r “( 工，y ) s i n 口 ( 2 9 ) 若用波长数n 表示相对光程变化，并考虑到光程与位相之间的关系： a ( x ，j ，) = n 2 = 尝6 ( x ，y ) ( 2 1 0 ) 三】r 则： 小班盖= 鲁 ( 2 1 1 ) 其u ( x ，力是沿x 方向的位移，以为u 场等位移条纹级数。 如果试件栅的栅线方向旋转9 0 0 ，光路系统也旋转9 0 0 ，则可得到y 方向的面 内位移分量v ( x , y ) 的表达式( 2 1 2 ) ： 心川= 鲁 ( 2 1 2 ) 。为v 场的等位移条纹级数。 云纹干涉法与条纹级数之间关系的全部表达式( 2 1 3 ) ： 卜力2 专以w ，泣 卜y ) 2 专札( w ) 7 2 ( 口 口 m g s s y y x 工 甜 ” + 一 口 盯 s s + + x x y y 工 工 w w 幼一a妨旯 = = 、j、， y y x x ，l ( 口 o o 第二章基本原理 图2 4 是四光束云纹干涉法分析系统的光路布置，也是最常见的光路系统。 旋转u - v 装置就可以分别得到u 场和v 场的光路。 对于小变形，位移与应变的几何关系如式( 2 1 4 ) ： 0 ui 龋 2 否兰万吉 毛：呈兰一i a n y ( 2 “) 勺2 石兰万百 4 岛：i o u + 尝兰丢( a n , + i a n y ) 岛2 瓦+ 石兰万( 缸+ 百) 2 2 有限元法基本原理【3 田 从应用数学角度考虑，有限元法的基本思想可以追溯到c o u r a n t 在1 9 4 3 年的 工作。他首先尝试应用在一系列三角形区域上定义的分片连续函数和最小位能原 理相结合，来解s t v e n a n t 扭转问题。此后，不少应用数学家、物理学家和工程 师分别从不同角度对有限元的离散理论、方法和应用进行了研究。有限元法的实 际应用是随着电子计算机的出现而开始的。首先是t u r n e r ，c l o u g h 等人予1 9 5 6 年将刚架分析中的位移法推广到弹性力学平面问题，并用于飞机结构的分析。他 们首先给出了用三角形单元求解平面应力问题的正确解答。三角形单元的特性矩 阵和结构的求解方程是由弹性理论的方程通过直接刚度法确定的。他们的研究工 作开始了利用电子计算机求解复杂弹性力学问题的新阶段。1 9 6 0 年c l o u g h 进一 步求解了平面弹性问题，并第一次提出了“有限元法”的名称，使人们更清楚的 认识到有限元法的特性和功效。 2 2 1 有限元法的基本思路 在工程或者物理问题的数学模型( 基本变量、基本方程、求解域和边界条件 等) 确定以后，有限元法作为对其进行分析的数值计算方法的基本思路归纳如下： ( 1 ) 将一个表示结构或连续体的求解域离散为若干个子域( 单元) ，并通过它们 边界上的结点相互联结成组合体。图2 。5 表示了将一个多联通域离散为若干个单 元的组合体，采用六面体单元。各个单元通过它们的结点相互联结。 ( 2 ) 用每个单元内所假定的近似函数来分片地表示全求解域内待求地未知场量。 而每个单元内的近似函数由未知场函数( 或及其导数) 在单元各个结点上的数值 和与其对应的插值函数来表达( 表达式通常是矩阵形式) 。由于在联结相邻单元 的结点上，场函数应具有相同的数值，因而将它们用作数值求解的基本未知量。 1 2 第二章基本原理 因此，求解原来待求场函数的无穷多自由度问题转化为求鳃场函数结点值的有限 自由度问题。 图2 5 三维多连通域的有限元离散网格 f i g 2 5f e ms k e t c ho f t h r d i m e n s i o nm u l t i - c o n t i n u u mr e g i o n ( 3 ) 通过和原问题数学模型( 基本方程、边界条件) 等效的变分原理或加权余 量法，建立求解基本未知量( 场函数结点值) 的代数方程组或常微分方程组。此 方程组称为有限元求解方程，并表示成规范化的矩阵形式，接着用数值方法求解 此方程，从而得到问题的解答。 2 2 2 有限元法的应用范围 由于有限元法是主要从事固体力学问题研究的学者们创建、发展并使之成熟 到一定程度的，因此，在固体力学中的应用远比任何其它学科为多。图2 6 表示 有限元法在固体力学中应用的基本范围。在这些问题中的材料可以承受温度变 化，也可以是各向同性、各向异性、正交异性或复合材料。 虽然有限元法起源于结构工程，但发展却超出了这一领域，而成为科学技术中一 种标准计算工具。广泛地应用在许多领域中，主要有： 在流体力学方面，有限元法应用于流体动力学、热传导、位势流等，如流体 动力润滑、湍流、传热、广义牛顿流体、粘性层流等。 在空气动力学应用方面，有限元法不仅可以用于可压缩粘性和无粘性流问 题，而且还可以用在跨音速流和激波的处理上，以及对大气中对流和扩散问题， 即天气预报问题的分析中发挥巨大的作用。 在地质力学方面，有限元法的应用己引起土力工程的很多方向的彻底变化， 它以常规方式对非常难解的边值问题的应力进行分析。例如，坑道周围的应力、 土坝和深埋结构的地震响应、海上平台对海浪和地动载荷的响应、以及海上工程 第二章基奉琢理 的非线性动力响应分析镩。 釉擎西剐絮 f c 檄黧 ) 3 d 喇集 c ，维案 皑j 麓 h ) 甲黼蛔 c ) 辆对稚 f d ) 板弯曲 # ) 聪 m 埘早元的尧 锄嘲曲的巍 图2 6 有限元法在固体力学中的应用 f i g 2 6 a p p l i c a t i o no f f e m i ns o l i dm e c h a n i c s 在生物力学方瑟，蠢隈元法为怒溪实酝生物宠学淹嚣撵供黻务，秘津攮致伤 的研究、矫形外科学、牙齿力学、一心脏力学、肠流动以及血液流动等等，都融经 广泛地使用有限元法进行分析，并融取得了丰硕的成果。 在交叉学科以及祸会应用方嚣，有限元法邑成功她用手诲多系统耦含俸震 中，麴结构与结构的鞠赢律矮，结擒与流体葙互于挈孺，结稳与主壤裙互作麓，流