基于ANSYS參數(shù)化語言Al2O3-Ni功能梯度涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計.pdf

1、陶瓷-金屬功能梯度涂層結(jié)構(gòu)以其耐磨、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異的多功能特性在航空航天、生物醫(yī)療、機(jī)械工程等領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。業(yè)界對功能梯度涂層結(jié)構(gòu)的設(shè)計分析還在初步階段，系統(tǒng)研究還不夠完善，缺乏一套完整實(shí)用可行的功能梯度涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。因此根據(jù)實(shí)際工況需求，通過ANSYS參數(shù)化語言(APDL)建立不同工作環(huán)境下的模型并進(jìn)行仿真分析很有必要。以耐磨、耐高溫且耐腐蝕的Al2O3-Ni功能梯度涂層結(jié)構(gòu)作為研究對象，運(yùn)用控制變量法進(jìn)行對比運(yùn)算

2、分析，最后得到三種具體工況下的最優(yōu)Al2O3-Ni功能梯度涂層結(jié)構(gòu)。
　　建立赫茲接觸分析模型、純熱應(yīng)力分析模型及熱-接觸耦合模型。分析功能梯度結(jié)構(gòu)在不同工況條件下對各應(yīng)力大小及分布的影響時，以最大剪切應(yīng)力不發(fā)生在表層耐磨層并遠(yuǎn)離陶瓷-金屬界面層，同時梯度層內(nèi)剪切應(yīng)力變化平緩，且以剪切應(yīng)力及Mises應(yīng)力最小為評判準(zhǔn)則來進(jìn)行Al2O3-Ni功能梯度涂層結(jié)構(gòu)的設(shè)計。
　　在赫茲經(jīng)典純接觸情況下，通過施加100N集中力載荷或者0

3、.001mm縱向位移載荷在小球中心處，運(yùn)算分析得到如下結(jié)論：耐磨層厚度、梯度層厚度、梯度層層數(shù)以及梯度結(jié)構(gòu)形式都會影響最大Mises應(yīng)力的大小及位置，但影響力度很小，不是很明顯；最后得出氧化鋁耐磨層厚度30μm、梯度層厚度60μm、梯度層層數(shù)10層、梯度層結(jié)構(gòu)形式P=0.25的結(jié)構(gòu)模型能有效達(dá)到減緩應(yīng)力突變、控制最大Mises應(yīng)力遠(yuǎn)離表層耐磨層。
　　在純熱應(yīng)力情況下，將模型整體從室溫（293K）加熱到673K，分析得到結(jié)論：采用

4、梯度結(jié)構(gòu)可有效改善因溫度變化引起涂層結(jié)合界面上的剪應(yīng)力突變；當(dāng)氧化鋁耐磨層厚度為0.2mm時，采用中間層為8層、梯度層厚度在2.0mm的線性梯度結(jié)構(gòu)就能大幅降低結(jié)合界面上的剪應(yīng)力突變，最大剪應(yīng)力突變下降40％以上。
　　在熱-接觸耦合情況下，將模型從室溫(293K)緩慢加熱到高溫(673K)，同時在小球中心施加0.005mm的縱向位移載荷，最后得到分析結(jié)論：氧化鋁耐磨層厚度為0.2mm時，采用中間層為8層、梯度層厚度在4.0mm的

5、線性梯度結(jié)構(gòu)就能大幅降低結(jié)合界面上的剪應(yīng)力突變，同時使得最大剪切應(yīng)力遠(yuǎn)離陶瓷-金屬界面處，并且Mises應(yīng)力峰值與沒有梯度層相比下降了40%。
　　這三個模型彼此獨(dú)立且相互補(bǔ)充。在復(fù)雜多變的實(shí)際現(xiàn)場，對于不同的工況要求，只需要根據(jù)相應(yīng)的條件找到最佳的分析結(jié)果模型，然后針對性的去制造最優(yōu)的功能梯度涂層結(jié)構(gòu)。所有模型結(jié)構(gòu)和屬性都是通過參數(shù)化語言進(jìn)行封裝，并能通過改變參數(shù)來進(jìn)行其他功能梯度涂層結(jié)構(gòu)的設(shè)計分析，具有一定的代碼移植性和靈活性