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本文针对FGM在工作中的瞬态热应力问题,提出以更具一般性的新型夹一维FGM金属/陶瓷复合板结构作为研究模型,该板由三层板组合而成,下面一层是金属Ti-6Al-4V,上面一层是陶瓷ZrO2,中间是FGM层。根据传热学、力学、材料学和变分法等多学科理论,推导出计算应力场的基本方程,并编写实用的计算程序。通过数值计算和分析,研究了第一类冷却边界下复合ECBF、ECBC板常物性冷却瞬态热应力的分布规律,并分析了FGM层厚度、孔隙率、组分分布形状系数对瞬态冷却热应力的影响,还研究了第三类对流换热边界下复合EFBC、ECBC板瞬态热应力的分布规律,并分析了孔隙率对EFBC板瞬态热应力的影响,分析了对流换热系数对复合ECBC板瞬态热应力的影响。研究结果表明:
(1)随着FGM层厚度从2mm增加到6mm,ECBF、ECBC板内的冷却瞬态热应力和热应力梯度都逐渐变小,表明FGM层厚度的增加有利于复合板的热应力缓和。
(2)组分分布形状系数M从0.1增加到10的过程中,当M=1时,ECBF、ECBC板内的冷却瞬态热应力梯度最小,随着M值的增大,冷却瞬态热应力最大值呈增大趋势,最大应力差为113.21%。
(3)随着孔隙率系数从0增大到3,两种板的冷却瞬态应力曲线均在三层板层间界面处出现了尖角,板内受力不合理。ECBC板陶瓷附近区域的应力梯度变大,FGM层内的压应力呈变小趋势,最大应力差为83.26%。ECBF板陶瓷附近区域的应力梯度变小,板内的冷却瞬态热应力值呈变小趋势,最大应力差为81.94%。
(4)随着孔隙率系数A从0增大到3,EFBC板内金属区域的瞬态加热热应力逐渐增大,最大应力差为205.27%。FGM层内的瞬态加热热应力梯度逐渐增大,当A=1、2和3时,在三层板层间界面处,出现了明显的尖角,板受力不合理。
(5)随着换热系数从1增大到100,ECBC板内瞬态加热热应力梯度逐渐变大,陶瓷附近区域的热应力明显逐渐变大,最大应力差值为2.4127695GPa。
本文推导的公式和分析结果可以为二维层合板的研究以及FGM层合板在实际工程中的应用提供理论依据。