超高温陶瓷材料热力耦合分析及结构设计

超高温陶瓷材料热力耦合分析及结构设计超高温陶瓷材料热力耦合分析及结构设计 超高速飞行器在加速飞行时 由于气动加热 其尖锐表面局部温度 1 甚至超过2000 因此这种技术的实现对防热结构和材料提出了苛刻的条件 要求材 料在具有很好的强度和韧性的同时能耐受气动加热产生的高温 抗 氧化和抗热冲击 基于这种需求 超高温陶瓷UHTC Ultra High TemperatureCeramics 以其优异的热物理性能和力学性能得到广泛 的研究和发展 对于应用在航空航天领域的超高温陶瓷而言 其服役环境十分恶劣 防热材料受到的威胁主要包括复杂动载荷 强气流冲刷 剧烈气动 加热等 相应的UHTC的破坏失效模式主要是脆性断裂 氧化烧蚀和热应力及 热冲击损伤失效等 虽然超高温陶瓷拥有众多优异性能 但其本征脆性和对缺陷的敏感 性是一个突出的问题 已经成为限制其广泛应用的短板 例如 ZrB2 SiC的熔点高达3027 但气动加热过程中产生的热冲击有可能使得 材料在远远低于该温度时就发生破坏 与其它材料相比 超高温陶瓷的优势主要体现在高温性能 而这种 高温性能优势的发挥是建立在良好的抗脆性断裂基础上的 因此 提高超高温陶瓷的弯曲强度和断裂韧性是提高其综合性能的 关键所在 超高温陶瓷在航空航天领域的付诸应用需要两个方面的保障其一 材料本身的综合性能能够经受飞行器急剧加速 长时间高速飞行 空间或近地轨道再入等极端热环境的考验 其二 UHTC热防护体系 的结构设计合理 能起到很好的热防护作用并且轻质高效 基于这样的背景 研究超高温陶瓷的断裂行为 分析材料的断裂破 坏机理 为改善其本征脆性提供理论依据就显得十分必要 弯曲强度和断裂韧性是材料抵抗脆性破坏的重要力学性能指标 考 虑到UHTC作为一种超高速飞行器热防护体系候选材料 这些指标随 温度的变化规律也是十分值得关注的 分析超高温陶瓷热防护结构在热力耦合载荷下的响应并对结构的可 靠性进行评价是将材料付诸应用的前提 超高温陶瓷热防护结构的 热力耦合分析与力学性能评价是目前备受关哈尔滨工业大学工学硕 士学位论文 2 注的研究课题 本文的研究内容旨在从两个方面推进超高温陶瓷的实际应用 首先 研究材料的室温和高温断裂行为 明确其破坏性能指标与断裂失效 准则 对服役状态下的超高温陶瓷热防护结构进行热力耦合分析 对其力学性能和可靠性进行评价 然后在热力耦合分析的基础上对 超高温陶瓷热防护结构进行结构优化设计 1 2超高温陶瓷基复合材料的研究现状1 2 1超高温陶瓷发展历程超 高温陶瓷 UHTC 的研究开始于上世纪60年代初期 最早是由美国空 军发起 并在美国空军材料实验室 AFML 的支持下由Manlabs实验 室实施的 其目的是为超高速飞行器敏感部位 比如头锥 前缘等寻找有效的 防热材料 2 在起初的很长一段时间里 超高温陶瓷的制备主要依靠热压烧结法 由于材料熔点很高 采用这种传统方法制备的材料力学性能较差 在20世纪90年代之前 超高温陶瓷的研究没有取得明显的突破 随着90年代初人们对高致密度精细超高温陶瓷兴趣的增加 其研究 进展才开始加快 1997年5月和2000年9月 埃姆斯研究中心与美国军方合作进行了两 次飞行试验 即SHARP B1和SHARP B2项目 以验证UHTC的性能 这对超高温陶瓷的快速发展起到很好 的促进作用 图1 1SHARP B1与SHARP B2测试的组件 2 xx年 欧洲各国启动了高速飞行轻质先进材料的气 动与热载荷相互作用计划 3 ATLLAS 该计划通过理论分析 数值 模拟和试验等手段评估用于高速运输机 SST 机身和燃烧室的材料 在最近的几十年 人们通过实验等手段研究了UHTC的组分 制备工 艺 微结构等对其力学性能的影响 旨在推进其发展和广泛应1 2 2 理性的性陶瓷展了试件采用且不下进用四了对偏大随温结论预制口 半 10 采断口提出应用 4 6 2超高温陶超高温陶瓷性能 但其本性能 超高温瓷的断裂破坏了一系列研究件类型包括单用了三点弯曲Gogot si将不同的测试方进行测试发现四点弯曲法测对比和分析 大 单边预制温度的变化趋论指出 为了制裂纹尖端将半径Picard 等采用三点弯口微结构 这出了一种双切陶瓷断裂瓷拥有高强本征脆性是温陶瓷的断坏行为 国究 Gogots单边V字形曲 四点弯图将不同的测试方案得出的现 高温下 测试了不同 研究发现制纹梁法 S趋势也不同了获得材料将不能有效等提出了一 曲法对几种这些研究为切口圆孔试哈尔滨工业行为研究强度 高硬 度是一个不容回断裂行为和脆国内外学者通si 7 对Si3N形切口梁 S E弯曲以及压痕1 2George A试方案与结的结果之间存下材料的断裂同温度下Si现 相比于单SE PB 测试结同 Picard等料准确的断裂效的模拟自然一种修正方法种陶瓷材料为陶 瓷材料试样以研究试业大学工学硕士 3 究度 高熔点回避的问题脆断机理一通过实验 N4等陶瓷材EVNB 和 普痕载荷法等A Gogotsi采结果进行了存在固定的裂韧性普遍C陶瓷 的断单边切口梁结果偏小 等 9 对单边裂韧性 切然裂纹从而法用 来消除的弯曲强度的弯曲性能试件的裂纹士学位论文点和抗氧化题 直接影一直是人们理论解析材料的断裂普通单边切等 采用的实验试对比 发现的比例关系遍高于室温断裂韧性 梁法 SE NB 不同的测边切口粱试切口半径必而导致测试除切口尺寸带度和断 裂韧能提供了参纹扩展过程等优异的力响到其抗热关注的问题计算 和数值韧性进行了口梁 SENB样 7 现SENB最 通过在温 白世鸿 并对不同的山形切口梁试方法所得件的切口半须低于某一 结果偏大 带来的误差性进行了测参考数据 A 通过改变力学性能和热冲击和热题 对于超值模拟等手了实验研究B 等 测试最方便实施1300 和 乔 生儒等的缺口形式梁 测试得出的断裂半径进行了一门槛值 对于不同差 Guazzat测试 并分Ayatollahi变预制切口和热物热应力超高温手段 开究 其试方法施 而1400 等 8 采式进行试结果裂韧性了研究 否则同的切to等分析了等 11 口的角度和应力过实讨 与裂相对料的 1500的升并从料的分析带有有限效率采用和深度试件可力强度因子 比实验和有限元Prieto等 1裂纹扩展的状对应 Bird等的弯曲强度和0 时材料升高趋势 W从能量的角度的断裂韧性 析 研究指出有随机分布孔限元模型 然率 模型的网用比较精细的可 以模拟多比系数K II K元计算的手图1 3M12 研究了脆状态有着密等 13 研究了和断裂韧性的弯曲强度Wang 等 14度对各种测 基于线弹出 多层陶孔洞和夹杂然后对裂纹网格 按三个的网格 裂哈尔滨工业多种开裂模式 K I的复合型手段研究了裂M R Ayatollah脆性陶瓷裂纹密切的联系 了ZrB2 20 性 并观察了度呈线性降 研究了不同测试结果进行弹性理论和 小陶瓷复合材料杂的脆性材料纹的扩展过程个梯度处理裂纹尖端采 用业大学工学硕士 4 式 包括纯型裂纹 对裂纹的扩展ahi等提出的试纹扩展过程 稳定的裂 SiC的裂纹了断 面的微降低的趋势 同的试件形行了讨论 小范围屈服料的断裂韧料裂纹扩展程进行了数距裂纹较用非常精细 士学位论文纯I型裂纹和对于不同类型展过程并对试样及有限元程中 的几种裂纹扩展与纹扩展过程微观结构 研室温下裂形状对陶瓷N hl k等服假设对材韧性高于单层展 首先 根数值模拟 较远处采用细的网格 如和II型裂纹型的裂纹 开裂准则进元模型 11 参数 发现稳态变 化的程 在不同温研究发现 裂纹扩展阻力断裂韧性测 15 研究了 多料的破坏过层材料 So据孔洞和夹为了提高计较粗糙的网如图1 4所纹 甚至不Ayatollahi进行了分析现裂纹张开的裂纹张开温度下 测试温度为11力曲线没有测试结果的多层陶瓷复过程进行了ohn等 1 6 研夹杂的分布计算精度和网格 过渡所示不同的等通析和探开位 移开位移试了材100 有明显的影响 复合材了理论研究了布建立和 计算渡区域孔洞值时洞或术的瓷的间一以梯度处理洞与夹杂对裂时 裂纹路径保或夹杂的脆性近年来 随的日益成熟 的断裂行为研一 种比较新颖图理网格为基裂纹扩展过保持稳定 性材料裂纹图1 5随着有限元 国内外学研究推向了颖的研究思哈尔滨工业1 4采用不基础 研究人过程的影响 反之则容易纹扩展路径 5含孔洞或夹元技术的不断学者从数值模了新的高度思路 业大学工学硕士 5 不同精细程度人员通过计 通过几个易发生偏转 夹杂脆性材料断发展 特模拟的角度 采用数值士学位论文度划分的网格计算裂纹尖个不同的算例转 图1 5料裂纹扩展路特别是用户度入手 与值手段进行 16 尖端切应力 例得出 当为计算所得路径 16 子程序 扩实验相结合分析也代表 T Stress 研当T Stress得的含有随扩展有限元合 将超高表了未来一研究了为负随 机孔元等技高温陶一段时1 2 3将保进行设计内外场进几种头锥根成 方根分析境下计算对结3超高温陶对于高超声保护飞行器免行真实热 环境计的前提 近外许多学者对进行了研究 种不同的UH锥和翼端前缘成反比 而且根大致成反比析了电弧风动B orrelli等下的承载能力算 对风洞测结构热响应的陶瓷热防声速飞行器免遭高速飞境下的热力 近年来气动对高超声速 这些关键HTC热防护缘等 分析且防热结构比 Savino动测试过程图1 6Ra等 19 对一种力和抗氧化测试中的不的影响进行哈尔滨工业护结 构热器而言 热防飞行 再入等力耦合分析是动加热下结构速飞行 器关键键部位包括飞护模型进行析指出 防热构迎风面其它等对不 同程中结构的热affaele SavinoUHTC鼻化烧蚀性能 不确定因素行了探讨 业大学工学硕士 6 热力耦合分防护系统是等恶劣环境是评价其可构的热力耦键部位的 表飞行器端头行了热响应分热结构前缘它位置所承结构进行了热流 分布 o等分析得到鼻锥结构进行 在实验的 如材料随士学位论文分析是整个体系境下的热载荷可靠 性的基耦合分析成表面热流密头鼻锥 翼端分析 这些缘驻点处的 承受的热流了电弧风洞温度场和热到的模型表面行了风洞测的基础 上B随温度变化最为昂贵的荷破坏 17 本依据和进为国内外研度 瞬态温端前缘等 些模型包括超温度与其曲密度与其距洞试验和相关热应力场等面热 应力 18 测试 考察了Borrelli等还的热物理参的系统之一 对热防护进一步进行研究的焦点温度场和热Savino等超高声速飞曲 率半径的距驻点的距关的数值计等 了结构在极还进行了有参数 恢复一 它护系统行结构点 国热应 力等 18 对飞行器的平方距离平计算 极端环有限元复焓等 要求 对U将计再入形成所模纤维的温强和对颗材料Squire等 2求 为了研究UHTC的密计算结果进行Monteverd入时的热环境成了一层多 相模拟的热环境维增强复合材温度分布 结和颗粒增强的颗粒增强ZrB料在具有良好图120 从材料属究材料属 性密度 热膨胀行对比论证图1 8de等 21 对境 测试结相氧化物保境 Sciti等材料热防护结果显示 的ZrB2 SiCB2 SiC模型好增韧效果哈尔滨工业1 7Rosario B属性的角度分性对结构热力胀系数 比证 从而得出Thomas H SZrB2 SiC结果显示 结保护层 在氧等 22 研究了护组件的响应气动加热过C基复合材型进行了电果 的同时其抗业大学工学硕士 7 Borrelli等研分析了超高力学响应的比热容和弹性出热防护组Squir e等数值热防护结构结构在测试氧化物保护了气动加热下应 通过过程中模型料的热响应电弧风洞测试抗氧化烧蚀士学位论文究 的鼻锥模型高声速飞行器的影响 Sq性模量等参组件对材料物值计 算的部分构进行了地试过程中表面护层的保护下具有尖锐CFD软件型 温度峰值为应进行对比试 分析表蚀性能并没有型 19 器对UHTCuire等建立参数在适当范物性 参数的分结果 20 地面风洞测试面温度达到下结构可以锐几何特征 的建模计算分为2300 Sciti等在表明 纤维增有降低 C热防护组立了有限元范围内逐个的要求 试 模拟飞到了2000 以胜任实验的ZrB2基分析了模型 为了将纤在相同的条增强的ZrB组件的元模型 个取值 飞行器 并验条件基SiC型表面纤维增条件下2 SiC试 再入热防构的高温2352返回验证了模证 热应体动护结瓷进为制法分通过力耦对热Monteverd该组件由热入时 热防护体防护结构驻点的性能及可靠温陶瓷拐角环2 9K 通过回再入 电弧证 蔺晓轩 2模拟 计算分分析指出 应力 当应力动力学仿真与结构 为热防进行了细观热制备工艺提供随着计算机分析热防护结过计 算流体动耦合分析的研热防护结构进图1 de等 23 对再热压烧结得体系所面临点温度达到靠性进行了环结构 的热过电弧风洞测弧风洞热流25 采用数值分析了结构 在超高速力 水平超过与热分析仿防护体系的热应力场研供了理论指机技术的发 结构的热响动力学研究研究手段日进行热力耦哈尔滨工业 9风洞试验再入飞行器得到的ZrB2 临的高焓值热到2100K 李了研究 分析热响应 两种测试模拟两流密度分别为值方法对Zr构的温度场 和速飞行条件下过材料弯曲强仿真相结合研的设计提出了研究 将U H指导 发展和有限元响应产生了兴究结构周围的日趋成熟 耦合分析和可业大学工学硕士 8 验前 左图 后 器的尖锐热防 SiC基复合热流 测试李伟杰等 2析了近地轨种再入过程两种再入热 为1 7W m2rB2 SiC高超和热应力场下 前缘结强度时 前研究了近地了理论指导HT C的热力元软件的更兴趣 近年的流场和热目前 将地可靠性评价士学位论文 右图 模型形防 护组件进合材料制成试时间为5424 对再入环轨道返回和程中结构温 度热环境 对应2和5 4W 超声速前缘场 并与电结构驻点温前缘发 生破坏地轨道再入导 唐绍峰 力耦合响应更新换代 年来 对热热环境 并地面风洞试 价是国内外学形貌 22 进行了地面电成 对其施加40s 经光学环境下超高温探月返回两度峰值分别应于近地轨 m2 对结构 缘构件的气动弧风动实验度急剧升高坏 Savino飞行器的超梁军等 27应与材料的制越来越多的防护结构进以 此为基础验和数值计学者常用的电弧加热风加的热环境学高温计测 温陶瓷热防两种热环境别为1555 5轨道再入和构可靠性进动加热过 程验进行了对高 产生很o等 26 将计超高温陶瓷7 对ZrB2 S制备联系起的学者对数进行简化建础对结构进计算方法相的研究手 段 风洞测境模拟测量 防护结境下超K和和探月进行了程进行对比验很 大的计算流瓷热防iC陶起来 数值方建模 进行热相结合 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 9 1 2 4超高温陶瓷热防护体系结构优化设计与所有飞行器一样 高超 声速飞行器在设计的过程中 必须很好的处理整个系统的推力 阻 力 重力以及升力之间的平衡 考虑到各种成本 热防护系统务求轻质高效 在能满足防热隔热功 能的前提下尽量减少自重 这些都突显了热防护体系结构设计的重 要性 图1 10超声速飞行器受推力 阻力 重力 升力示意图 28 对飞行器结 构的优化设计是一项十分复杂的任务 20世纪50年代以来 人们开 始用数值方法对来进行这种计算 但设计的内容主要是机翼形状等 29 随着计算流体动力学的日趋成熟 人们开始对飞行器各部件进行数 值模拟 进行结构优化设计 在此期间一些传统的数学优化手段如 梯度法 牛顿法和最速下降法等开始被广泛应用 30 32 目前高超声速飞行器的结构优化设计正蓬勃发展 这些研究囊括了 多个方面 包括针对飞行器气动性能的整体气动布局优化设计 针 对承载容积和有效载重量的优化设计 针对气动热的热防护体系优 化设计等等 西北工业大学博士车竞 33 对高超声速飞行器的整体气动布局进行 了比较全面的优化设计研究 以标准遗传算法为基本框架 提出了 一种改进遗传算法 并将其应用到气动力 气动加热和雷达反射截 面的工程计算中去 陈飙松等 34 用数值方法对载人航天器进行了结构优化设计 将结 构拓扑优化方法应用到工程计算中去 Chiesa等 35 利用有限元计算对航天器进行了结构设计 并通过飞 行器VentureStar对设计理论进行了验证 臧晓云等 36 对载人飞船返回舱进行了结构优化设计 在满足结构 力学性能的基础上使其整体重量降低了10kg 王斌 37 对航天器结构进行了多性能优化设计研究 其中包括热载 荷作用下的结构优化问题 随着计算机技术与有限元理论的快速发展 优化设计理念和有限元 相结合的技术手段开始走向成熟 38 40 赵长勇等 41 对哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 10 ANSYS的APDL语言优化设计进行了介绍 并对其应用现状和发展趋势 进行了总结和探讨 目前利用APDL语言对各种机械结构进行优化设计的研究比较完善 42 44 但专门针对UHTC热防护系统热响应的结构优化设计相对较少 1 3本文主要研究内容针对超高温陶瓷基复合材料的复杂服役环境和 本征脆性 论文内容主要围绕其断裂行为及其在热防护组件中力学 性能分析与结构优化设计展开 具体如下1 论文第二章 为了研究超高温陶瓷的弯曲性能和断裂破 坏机理 在室温及高温下实施三点弯曲实验 测试ZrB2 SiC G基超高温陶瓷的断裂韧性及弯曲强度 并通过相应的有限元分析模 拟其断裂过程 对材料的断裂机理进行探讨 研究温度对试件弯曲 断裂行为的影响 2 论文第三章以第二章获得的超高温陶瓷弯曲破坏性能指标和断裂 破坏准则为基础 根据超高温陶瓷热防护体系的服役环境 参考典 型热防护组件建立有限元模型 进行热力耦合模拟计算并根据有限 元结果对其力学性能进行分析 评价组件的可靠性 3 论文第四章基于第三章的工作所提供的有限元分析结果 对超高 温陶瓷翼端前缘进行结构优化设计 通过ANSYS的优化设计模块对结 构关键部位的尺寸进行优化分析 寻求极端恶劣高超声速飞行环境 下翼端前缘结构的最大安全系数 以获得最优设计方案 并通过优化设计的手段求解翼端前缘结构承载的极限值 分析其承 载能力 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 11 第2章超高温陶瓷基复合材料断裂行为研究2 1引言超高温陶瓷材料 虽然有很多优异的物理性能 但是其本征脆性始终是一个不容回避 的问题 严重影响着其在航空航天领域中的广泛应用 针对这一问题 人们通常进行弯曲实验研究超高温陶瓷的断裂破坏 机理并获得表征其力学性能的指标 超高温陶瓷的断裂韧性和弯曲强度一直是人们比较关心的基本力学 参数 目前国内外许多研究工作都围绕如何改善其韧性以及提高其 抗弯强度而展开 因此超高温陶瓷的弯曲测试显得十分必要 特别是考虑到超高温陶 瓷作为一种防热结构材料 其综合性能的优势主要体现在高温 对 其在高温下的弯曲行为的研究也是很重要的 本章首先测试了ZrB2 SiC G超高温陶瓷室温及高温断裂韧性与弯曲强度 并研究其随温度的变 化规律 然后利用ABAQUS有限元软件对试件的断裂过程进行了模拟 通过将 实验结果与数值模拟结果进行对比 研究材料的断裂机理 2 2室温及高温断裂韧性测试断裂韧性是表征材料抵抗裂纹扩展能力 的参量 对于超高温陶瓷材料断裂韧性的测试 有很多种实验方法 无论采取哪种测试方法都需要在试件上预制一个尖锐的裂纹以模拟 自然裂纹 目前使用的较为广泛的主要有单边缺口梁三点弯曲法 Single EdgeNotch Beam SENB 和压痕裂纹长度法 Indentation CrackLength ICL 本文实验采用SENB法 试件在线切割机床上进行加工 尺寸为2mm 4mm 22mm 切口深度 为2mm 宽为0 2mm 图2 1为单边切口梁试件图2 1ZSG单边切口梁三点弯曲试件示意图哈尔滨工业大学工学硕士学位 论文 12 断裂韧性的测试在Instron 1186电子万能实验机上进行 跨距为16mm 压头速率0 05mm min 试件共分4组 分别在室温 400 800 和1000 下进行测试 每 组测试4个试件 图2 2高温下ZSG单边缺口梁三点弯曲实验图2 2为高温下ZSG单边缺口梁三点弯曲试件安放在试验机支座上的情形 断裂韧性ICK 45 由下式计算1 2232ICPLK Ywbh 2 1 式中P 试样断裂时最大载荷 N L 试样长度 mm b 试样宽度 mm h 试样高度 mm w 试样切口深度 mm Y为试样形状因子 在0 w h 0 6 L h 4范围内 其数值由下式确 定2341 933 0714 5325 0725 80w ww wYh hhh 2 2 通过在室温及高温下对点边切口梁进行三点弯曲测试 仪器记录 了压头反力和试件中点的挠度 输出了各个试件的载荷位移曲线 选取若干条不同测试温度下得到的曲线进行对比 如图2 3所示哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 13 0 0000 0020 0040 0060 0080 0100 0120 0140102030405060Load N Displacement mm 室温 1室温 2400 1400 2800 11000 800 2图2 3断裂韧性实验载荷位移曲线从实验记录的载荷位移曲线可以看出 温度越高 曲线斜率越小而且载荷峰值有增大的趋势 而且试件在承受峰值载荷时 即断裂瞬间试件中点的挠度随温度的 升高明显的增大 这说明随着温度的升高 试件的弯曲模量逐渐降低但表现出较好的 韧性 根据试件的载荷峰值由公式2 1和2 2计算得到断裂韧性 如表2 1所示表2 1断裂韧性实验结果试件编号K IC MPa m1 2 室温400 800 1000 14 204 005 043 9124 203 9 54 684 6734 184 053 844 1044 154 164 144 23平均值4 184 044 434 24表2 1列出的实验测试结果显示 虽然从室温到1000 的测试结果不是严 格的递增趋势 但高温测试时有试件表现出很高的韧性 在进行高温测试时 需要将试件从室温环境放入到高温炉中 由于 温度骤变不可避免的发生热冲击 这将给试件的预制裂纹带来新的 损伤 所以考虑到热冲击的影响和高温测试操作难度的增加带来的人为误 差 试件断裂韧性的高温测试结果比真实值偏低 三点弯曲测试所得的试件断裂韧性随温度的变化趋势如图2 4所示哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 14 0 xx0060080010001 01 52 02 53 03 54 04 55 020 400 800 100 0 AverageFracture Toughness MPa m1 2 Temperature 0C 图2 4断裂韧性测试结果图中结果显示 室温和400 测试得到的断裂韧 性彼此之间较为接近 而800 和1000 测试得到的结果离散性较大 这是因为 高温测试时存在热冲击的影响而且操作误差较大 这些 不确定因素都会增加测试结果的离散性 图中的平均值曲线虽然不是与测试温度呈严格的递增关系 但800 和1000 这两组测试结果中的最大值明显高于其它两组的平均值 综合以上讨论 室温下ZrB2 SiC G的断裂韧性为4 18MPa m1 2 高温下 温度超过800 材料的断 裂韧性有升高的趋势 达到4 43MPa m1 2 2 3弯曲强度的测试弯曲强度指的是矩形截面梁承受弯曲载荷时中性 层以下截面所能承受的最大拉应力 它是表征材料强度的一个重要 力学指标 本文弯曲强度的测试采用三点弯曲法 试件尺寸为3mm 4mm 36mm 跨距为16mm 实验在Instron 1186电子万能实验机进行 压头速率0 5mm min 试件共分4组 分别在室温 400 800 和1000 下进行测试 每 组测试8个试件 弯曲强度b 可由下式进行计算232bPLbh 2 3 式中P 试样断裂时的最大载荷 N L 跨距 mm b 试样的宽度 mm h 试样的高度 mm 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 15 通过三点弯曲测试得到各试件的破坏载荷 按2 3式进行计算得到相应的弯曲强度 具体结果如表2 2所示表2 2弯曲强度实验结果试件编号b MPa 室温400 800 1000 1275 67267 94217 53239 412294 72279 57247 5230 93303 28266 8221 3 24230 794288 1278 64261 18250 865 269 13282 71200 576 258 98202 177 243 55 8 222 1 平均值290 45272 42243 37225 78由于各种误差 一部分弯曲强度 测试结果与平均值相差过大 因此将其剔除 各试件弯曲强度以及不同温度弯曲强度平均值的变化趋势如图2 5所示0100 xx0040050060070080090010001100050100150 xx50300Frac ture Strength MPa Temperature o C 20 400 800 1000 Average图2 5弯曲强度测试结果测试结果显示 试件的弯曲强度随温度有明显的 降低趋势 从室温时的290 45MPa逐渐降低到1000 时的225 78MPa 由此可见 随着温度的升高试件的弯曲强度逐渐降低 2 4超高温陶瓷弯曲行为数值模拟本节利用ABAQUS软件 根据三点弯 曲试件的样式和尺寸建立有限元模型 哈尔滨工业大学工学硕士学 位论文 16 并参考实验加载方式对模型施加边界条件 通过有限元模拟计算试件的临界裂纹扩展能量释放率和断裂韧性 并将计算结果与实验结果相对比 此外 针对单边切口梁的裂纹扩展过程 本文利用扩展有限元 XFE M 进行了数值模拟 对ZSG材料的断裂机理进行了进一步的分析 2 4 1J IC与与K IC的数值计算J积分和应力强度因子是断裂力学中的重要参量 它们 在准静态断裂失效分析中的应用十分广泛 在线弹性断裂力学中 可通过J积分估算裂纹扩展能量释放率 这对 于材料断裂机理的分析具有重要的意义 应力强度因子表征载荷或变形对裂纹尖端应力和应变场大小的影响 可以估量裂纹扩展或裂纹驱动力的倾向 本节利用ABAQUS有限元软件通过围线积分计算围绕试件裂纹尖端区 域的J积分和应力强度因子 并将计算结果与实验结论相对照 ABAQUS对二维模型 46 中J积分定义为 dLimJ qH n0 2 4 图2 6J积分回路这里的 是起始于裂纹下表面终止于裂纹上表面的积分 回路 如图2 6所示 0 表示积分回路向裂纹尖端收缩 q为假想裂纹扩展方向 的单位向量 n是 的外法线方向 H由下式给出xW u