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功能梯度材料的应用日益广泛,基于计算机辅助技术梯度材料优化设计可以节约成本和提高优化效率。金属基陶瓷梯度材料热应力的理论研究比较全面,而通过仿真分析梯度材料热稳定性的研究较少。同时,金属基陶瓷梯度材料应用于机械零件时工作条件并不单一,在承受热载荷的同时,也会受到其他载荷的作用,因此,在热应力研究的基础上探讨梯度材料的其他性能是有必要的。本课题基于热应力缓和对梯度涂层进行优化,在此基础上探讨其在交变温度场下的热稳定性和其接触性能,并讨论梯度材料应用于加强齿轮齿面的可行性。 本课题梯度层的组分分布函数均采用幂函数分布形式,材料参数按修正混合定律计算。热应力分析采用弹塑性模型,其他采用弹性模型。对于热应力分析、热稳定性分析和接触 分析,本文中金属基体模型采用圆柱模型,在柱面添加陶瓷/金属梯度过渡层和陶瓷层工作涂层。对于齿轮模型,则将涂层和过渡层添加于齿轮渐开线齿面部分。梯度材料优化采用控制变量法,基于热应力分析的优化结果是热稳定性分析和接触分析的分析基础,热应力分析结果和接触分析结果为梯度涂层应用于齿轮可行性分析的铺垫。所有分析过程均采用有限元分析软件ANSYS,梯度材料参数的计算和齿轮建模采用ANSYS参数化设计语言(APDL)。 过渡层层数N=8,过渡层厚度δ=1mm,成分分布指数p=0.8,涂层厚度d0=0.1mm时,热残余应力缓和效果最优。无梯度层时滞后环包围面积是采用梯度层优化结构后应力应变滞后环包围面积的2.83倍,后者具有更好的热稳定性和更长的热疲劳寿命,提出简单的梯度涂层寿命预测方法。有过渡层时接触半径较无过渡层时减少了仅0.071％,梯度过渡层几乎不影响涂层材料增强接触强度、硬度和耐磨性能的效果,与此同时,材料将拥有更好的热应力缓和效果和热稳定性。在相同载荷作用下选用梯度涂层的齿轮齿根处最大弯曲应力减少了0.057%,梯度涂层对齿轮的抗弯性能几乎没有影响,而齿轮齿面得到加强,具备热处理齿轮的优点,可以用于解决热处理后缺陷多、工艺精度不足等问题。