耐磨耐蝕層狀復(fù)合管的制備及其沖蝕模擬分析.pdf

1、本文分兩部分。第一部分主要討論了耐磨復(fù)合管的制備、表征及有限元分析，在這一部分中，采用自蔓延高溫合成和離心鑄造相結(jié)合的工藝，制備了高耐磨陶瓷內(nèi)襯復(fù)合管，對其反應(yīng)原料和陶瓷內(nèi)襯層制品的物相組成、物理性能等方面做了表征，并采用有限元方法對其制備過程中的管材殘余應(yīng)力進行了模擬分析；在此基礎(chǔ)上，通過反應(yīng)浸漬拼混樹脂制備了三元復(fù)合管，對服役工況下不同組元材料所引起的界面應(yīng)力進行了數(shù)值模擬。此外，設(shè)計并制造了沖蝕磨損試驗機，對陶瓷內(nèi)襯管和三元復(fù)合管

2、的耐沖蝕性能進行了測試和評估。第二部分側(cè)重于材料沖蝕磨損行為的數(shù)值模擬分析，主要討論了沖蝕磨損的影響因素和韌性、脆性材料沖蝕失效的主要機制，提出了一個全新的通用有限元沖蝕模型，分別以鈦合金和陶瓷材料為例進行了仿真模擬，總結(jié)了數(shù)值模擬技術(shù)在材料磨損失效領(lǐng)域的應(yīng)用，并且，首次將無網(wǎng)格算法與有限元法相耦合的方法應(yīng)用于磨損失效領(lǐng)域，建立了高速沖蝕磨損的耦合模型，改善了大變形帶來網(wǎng)格畸變的情況，并使用該模型對工程材料及帶有有機涂層的材料的沖蝕行為

3、進行了討論。本文具體研究內(nèi)容及結(jié)果如下：
　　 1.高耐磨陶瓷內(nèi)襯復(fù)合管的制備
　　 采用自蔓延高溫合成與離心鑄造相結(jié)合的工藝，研制了夾具式SHS-離心機，成功地在鋼管內(nèi)壁燒結(jié)出冶金結(jié)合的陶瓷內(nèi)襯層，并對其反應(yīng)原料及陶瓷制品采用DSC、XRD、EDS、SEM和TEM等方法進行了表征分析，表明新研制的陶瓷內(nèi)襯復(fù)合管具有優(yōu)異的耐磨耐蝕性能。
　　 2.陶瓷內(nèi)襯復(fù)合管的殘余應(yīng)力模擬分析
　　 模擬分析了陶瓷內(nèi)襯

4、復(fù)合管在冷卻凝固過程中的溫度分布和變化，從而為工藝參數(shù)的選擇和管道界面結(jié)構(gòu)分析提供了基礎(chǔ)。利用ANSYS軟件的瞬態(tài)熱分析功能和熱-結(jié)構(gòu)耦合功能，數(shù)值上模擬了復(fù)合管的溫度場分布及殘余熱應(yīng)力，分析了SHS反應(yīng)層厚度對陶瓷內(nèi)襯復(fù)合管性能的影響。數(shù)值分析結(jié)果表明，合理調(diào)整SHS反應(yīng)層的厚度，可使界面殘余熱應(yīng)力變小，從而提高陶瓷內(nèi)襯復(fù)合管的安全可靠性。
　　 3.三元復(fù)合管的制備及組元材料的選擇
　　 在陶瓷內(nèi)襯復(fù)合管的基礎(chǔ)上開發(fā)

5、了內(nèi)壁具有樹脂層的三元復(fù)合管。該管道具有一定的耐磨性以及很高的防腐蝕效果，可用于腐蝕和磨損交互作用下的復(fù)雜工況。采用有限元法模擬了其在服役工況下受均勻內(nèi)壓時的應(yīng)力分布情況，并研究了不同彈性模量和泊松比的陶瓷材料對三元復(fù)合管界面應(yīng)力的影響，合理調(diào)整中間層陶瓷材料的彈性模量和泊松比，會減少界面處的環(huán)向應(yīng)力，從而提高三元復(fù)合管的安全可靠性。
　　 4.層狀復(fù)合管的沖蝕磨損試驗
　　 針對管道服役工況下一種常見的沖蝕磨損失效形式

6、，設(shè)計并制造了沖蝕試驗機，并在此試驗機上對陶瓷內(nèi)襯管及三元復(fù)合管進行了沖蝕試驗。結(jié)果表明：襯里層剛玉材料和拼混樹脂的沖蝕行為均表現(xiàn)出典型的脆性沖蝕行為，在沖蝕角為90°左右受損最嚴(yán)重；經(jīng)過改性納米粒子的填充后，拼混樹脂表現(xiàn)出優(yōu)良的耐沖蝕磨損性能。
　　 5.沖蝕磨損的影響因素和機理研究
　　 從影響沖蝕磨損行為的因素入手，對材料的沖蝕磨損規(guī)律進行了深入研究。著重討論了沖蝕角、沖蝕物速度、沖蝕物顆粒尺寸對沖蝕行為的影響，并

7、從沖蝕磨損的韌性模式和脆性模式角度深入探討了材料的摩擦磨損機理。同時對數(shù)值模擬方法在材料磨損領(lǐng)域的趨勢進行了技術(shù)展望。
　　 6.沖蝕磨損的有限元模型
　　 建立了沖蝕磨損的顯式動力學(xué)模型，分別使用不同的材料本構(gòu)方程討論了韌性材料和脆性材料在沖蝕磨損作用下的行為。與試驗研究相似，采用有限元模型對沖蝕速度、沖蝕角、沖蝕物尺寸等因素對沖蝕率的影響分別給出了模擬結(jié)果。并通過計算得出了沖蝕過程中的能量轉(zhuǎn)化情況與材料表面層的殘余應(yīng)