不同界面SiC/SiC复合材料的断裂行为研究

碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC/SiC)是极具前景的高温结构材料。通过先驱体浸渍裂解(PIP)工艺分别制备了PyC界面和CNTs界面SiC/SiC复合材料,对两种SiC/SiC复合材料的整体力学性能以及界面剪切强度等进行了测试表征,并对材料中裂纹的产生与扩展进行了原位观测。结果表明,两种界面SiC/SiC复合材料弯曲强度相近,但PyC界面SiC/SiC复合材料的断裂韧性约为CNTs界面SiC/SiC复合材料的两倍。在PyC界面SiC/SiC复合材料中,裂纹沿纤维–基体界面扩展,PyC涂层能够偏转或阻止裂纹,材料呈现伪塑性断裂特征;而在CNTs界面SiC/SiC复合材料中,裂纹在扩展路径上遇到界面并不偏转,初始裂纹最终发展为主裂纹,材料呈现脆性断裂模式。

先驱体浸渍裂解结合化学气相渗透工艺下二维半和三维织构SiC/SiC复合材料的结构与性能

通过先驱体浸渍裂解工艺结合化学气相渗透工艺(PIP+CVI)制备了二维半(2.5D)和三维(3D)编织结构的碳化硅纤维增强碳化硅基(SiC/SiC)复合材料,对两者的密度、热导率、力学性能以及微观结构等进行了测试分析。结果表明,PIP+CVI工艺制备的SiC/SiC复合材料具有较低的密度(1.98~2.43g·cm-3)和热导率(0.85~2.08 W·m^(-1)·K^(-1)),初期CVI纤维涂层能够提高纤维-基体界面剪切强度(~141.0 MPa),从而提高SiC/SiC复合材料的力学性能,后期CVI整体涂层明显提高了2.5DSiC/SiC复合材料的密度、热导率和力学性能,对3DSiC/SiC复合材料性能的影响不明显。

交变负荷下船用增压锅炉耐火材料的断裂行为研究

为了探究船用增压锅炉在变负荷运行工况下耐火砖的断裂失效行为,采用有限元法建立了耐火砖的三维模型,分析锅炉启停时耐火砖的瞬态温度场和应力场,确定拉应力最大的时刻,并将此时的温度场和应力场作为加载条件,运用扩展有限元法分析不同取向初始裂纹的扩展行为,得到了耐火材料在变负荷条件下的失效机制。研究结果表明:耐火砖在锅炉每个启停运行周期内都要经历停炉时产生的拉应力集中阶段,且应力集中在砖肋方向上占优,从而导致任意方向的随机初始裂纹沿着垂直于砖肋的同一个方向扩展、连接,直至贯穿整个耐火砖表面,这是耐火砖失效的主要模式。

汽轮机非线性间隙气流激振力作用下含裂纹转子的振动特性研究

建立了在汽轮机非线性间隙气流激振力作用下裂纹转子-轴承系统的动力学分析模型,并采用数值积分方法研究此类裂纹转子系统的分岔与混沌特性。利用Poincare截面和分岔图的变化分析汽轮机非线性间隙气流激振力和裂纹深度对系统振动响应特性的影响。分析结果表明:汽轮机非线性间隙气流激振力会使得系统的周期性运动状态提前,且混沌区域发生明显的减小;在浅裂纹时,汽轮机非线性间隙气流激振力对系统的响应起主导作用,且在超临界转速区域出现周期8运动;随着裂纹深度的增加,系统运动的混沌区域逐渐减小几乎消失,在超临界转速区域的逆周期运动演变为较长的周期3运动。研究结果可以作为含裂纹转子在汽轮机非线性间隙气流激振力作用下耦合故障发生的典型特征,也可作为此类耦合故障诊断的依据。

遮光剂对SiO_2气凝胶热辐射特性影响的理论研究

为研究添加遮光剂对SiO2气凝胶热辐射特性的影响,分别采用考虑基质吸收的改进的Mie散射理论和经典的Mie散射理论计算了气凝胶基质中单个粒子的热辐射特性和遮光气凝胶总的热辐射特性,并将两种方法的计算结果与已有实验数据进行了对比。分析了遮光剂粒子尺寸、分布规律对遮光气凝胶热辐射特性的影响,计算了遮光气凝胶的辐射热导率和不同温度下的最优粒径。结果表明:气凝胶基质的吸收作用对基质内的粒子散射影响较小,在计算遮光气凝胶热辐射特性时可以忽略。采用TiO2均一粒子系作为遮光剂,温度为300、500、700、900 K时的最优粒子半径分别为1.4、1、0.75、0.6μm。

一种新的结构疲劳寿命分析的概率-模糊-区间混合模型

为解决混合变量下的结构疲劳寿命分析问题,建立了同时含有概率、模糊、区间变量的结构疲劳寿命分析模型,采取对模型中的模糊变量取截集的方法,使模糊变量退化为相应的区间向量,相当于将问题化为仅含有随机变量和区间变量的结构疲劳寿命分析问题。依照概率和非概率寿命分析方法得到在截集水平α下的随机变量为自变量的疲劳寿命下限估计值表达式,采用数值积分的方式得到只含有随机变量的结构疲劳寿命上、下限值表达式,最后根据概率疲劳寿命分析方法可以得到一定置信度下的寿命上、下限值。算例结果表明:本文方法能够解决含概率-模糊-区间混合变量的结构疲劳寿命分析问题,不仅拓展了非概率在疲劳寿命分析中的应用范围,也是对非概率疲劳寿命分析方法的理论补充。

非线性间隙气流激振力作用下汽轮机转子碰摩故障研究

针对汽轮机机组存在的转静件碰摩问题,建立了汽轮机转子-轴承系统在非线性气流激振力作用下定子与转子碰摩模型及运动微分方程。采用数值方法研究了有无气流激振力对系统的非线性动力学行为的影响。结果表明:考虑气流激振力作用时,系统的混沌运动区域逐渐变小,频谱图出现幅值较大的谐波分量。并进一步以质量偏心为控制参数研究其对系统动力学特性的影响,得出一些有价值的结论。研究结果为汽轮机转子在非线性气流激振力作用下此类转子故障的动力学特性分析和故障诊断提供一定参考。

一种结构概率-模糊-凸集混合可靠性新方法

建立了结构同时含有概率、模糊、凸集变量时的可靠性分析模型。首先对模糊变量取一截集水平α,得到与模糊变量向量相对应的区间向量,将问题化为仅含有随机变量和凸集变量的混合可靠性问题。其次根据随机和凸集两类变量的混合可靠性方法,得到截集水平α下,以凸集变量为自变量的可靠度的均值,即截集水平α下的结构混合可靠度值。然后,将结构混合可靠度在截集水平区间[0,1]内进行积分,得到三类变量混合的结构总体可靠度。对所定义可靠度指标的物理意义进行了解释,并以某典型功能函数为例,进行了公式推导。最后,给出了算例分析,方法的可行性及合理性得到了验证。算例还表明,当忽略模糊变量的模糊性质,或改变凸集变量的数学型式,都会引起可靠度结果的失真,因此在工程实际中,必须全面客观地处理各类不确定性变量,才能得到正确可信的可靠性分析结论。

船舶汽轮机滑油系统动态安全性分析方法研究

针对船舶汽轮机滑油系统特点,提出了基于马尔科夫过程的动态贝叶斯网络方法;针对不同类型的马尔科夫过程,分别建立了其动态贝叶斯网络模型,给出了参数确定方法;通过对某汽轮机滑油系统管路进行分析,证明了方法的正确性和优势,相比于马尔科夫过程,动态贝叶斯网络更加适合于汽轮机等复杂系统安全性分析。

含裂纹燃气涡轮叶片结构非概率可靠性分析

涡轮叶片是燃气轮机装置中失效最频繁的工作部件,其主要的失效模式之一为裂纹扩展而引起的疲劳断裂失效。以含裂纹燃气涡轮叶片为研究对象,根据其典型启动运行工况制定载荷谱,通过瞬态热弹塑性有限元分析确定叶片失效的危险部位,并据此建立含裂纹叶片的实体模型;根据瞬态热弹塑性分析结果和J积分强度判据,对含裂纹叶片进行非概率可靠性分析。通过工程实例,验证了结构非概率可靠性综合模型的可行性和可操作性,为非完善结构的可靠性分析评定提供了新的方法体系。

基于模糊支持向量机的结构非概率可靠性分析方法

论述了基于模糊支持向量机的结构非概率可靠性分析方法,通过非线性模糊支持向量分类机得到显性的最优分类面函数,并通过构造回归集的方式回归拟合得到最优分类面函数的隶属度函数,采用基于面积比的结构非概率可靠性计算模型,基于蒙特卡洛算法计算出近似的结构可靠度。这一方法可以解决模糊失效状态下的结构非概率可靠性问题,适用于现代大型复杂工程的可靠性分析。

增压锅炉耐火砖衬结构的断裂失效分析

针对增压锅炉炉膛耐火砖衬出现横向裂纹的现象,综合考虑耐火砖所承受的热冲击、高温烟气冲刷及机械载荷的复杂工作环境,对局部砖衬结构进行了三维仿真建模,采用有限元方法进行瞬态温度场和应力场计算。结果分析表明:耐火砖衬结构的断裂失效主要是由于增压锅炉快速升、降温过程引起的拉压应力反复作用所致的疲劳损伤,停炉降温过程中的拉应力是引起断裂失效的直接原因。

含区间参数结构固有频率范围的优化估计

提出了一种基于Kriging近似模型和粒子群(Particle Swarm Optimization,PSO)优化算法的含区间参数结构的固有频率范围估计方法。基于Kriging模型优良的局部拟合性质,并经过误差检验和相关参数调整后,建立了满足精度要求的固有频率近似模型;基于PSO算法出色的全局寻优性能,对固有频率近似模型在区间参数空间内进行全局优化求解,获得区间不确定结构固有频率范围估计值。对某型燃气轮机涡轮叶片进行了实例分析,结果表明文中方法的效率和精度能够满足工程要求,其可行性和合理性得到了验证。

增压锅炉耐火砖疲劳裂纹扩展特性研究

基于陶瓷材料断裂力学理论,将影响疲劳裂纹应力强度因子的裂纹尺寸作为评价耐火砖安全使用的依据,通过研究陶瓷材料裂纹扩展的一般规律,建立了耐火材料的裂纹扩展模型,逐一计算两个影响因素对于裂纹应力强度因子的影响,得到裂纹尺寸与应力强度因子的关系曲线,可得出在一定范围内,裂纹应力强度因子随裂纹尺寸的增加而增加,但随后会逐渐降低,由此可预估含裂纹缺陷耐火砖的剩余使用寿命。

氮化硅结合碳化硅砖的微观结构模型及热冲击载荷下裂纹起始行为

为了研究热冲击载荷下耐火陶瓷材料的微观失效机制,基于Eshelby等效夹杂理论和Voronoi网格,建立了存在不同数量级粒径的船用增压锅炉用氮化硅结合碳化硅砖的微观结构模型,验证了微观模型的准确性。在上述微观结构模型的基础上进行有限元和扩展有限元计算,得到其停炉最危险时刻的瞬态微观应力场和微裂纹萌生扩展规律,进而得到其热冲击失效的微观机制,较好解释了碳化硅耐火陶瓷的失效机制。

单缸湿汽轮机除湿级的热力计算方法研究

针对单缸湿汽轮机除湿级的热力计算问题,级除湿过程近似于等熵过程,在级热力计算的基础上提出了一种除湿级的热力参数计算方法,以某型单缸湿汽轮机为例进行了计算。结果表明,除湿后蒸汽的焓值和干度明显增高,蒸汽的做功能力也增大。

舰船增压锅炉耐火砖衬热动态响应数值仿真分析

为方便研究舰船增压锅炉裂纹产生的机制,提高设备运行效率和操作管理的安全性,采用ABAQUS三维实体建模,对耐火砖衬的热动态响应进行了仿真,并对其温度场和应力场的变化进行了数值分析。结果表明:舰船在频繁变速过程中,由于增压锅炉炉膛负荷突变、温度骤然升降,极易导致耐火砖表面出现裂纹,甚至造成裂纹失稳扩展。因此,在舰船运行过程中,应尽量避免紧急启停和频繁变速换向。

Si_3N_4结合SiC耐火陶瓷高温抗疲劳断裂设计

为探究高温氧化条件下材料抗疲劳断裂的相关改进措施,在分析材料高温疲劳断裂过程的基础上,将有效场-子域模型和热-损伤断裂强度模型相结合,对高温氧化条件下Si_3N_4结合SiC耐火陶瓷的微裂纹尺寸与强度和密度与强度的关系进行了模拟。结果表明:此类材料在高温氧化环境中微裂纹尺寸在(0 mm,0. 5 mm]和密度至少为(0 m^(-2),104m^(-2)]的可行性范围内能抗疲劳断裂。这个结果对延长材料的使用寿命和确保设备运行的安全稳定性具有的指导意义。

耐火材料微观分析中的随机多面体颗粒模型构建方法

为了建立耐火材料微观结构随机多面体颗粒模型,基于MATLAB和ABAQUS二次开发,充分利用MATLAB快速而精准的制图能力和ABAQUS强大的二次开发功能,将计算分析获得的多面体颗粒点、线、面信息导入ABAQUS,构建了颗粒增强陶瓷材料的精确微观模型。凸型随机多面体颗粒模型能够较好地模拟耐火材料的实际细观结构,为进一步的微观力学分析提供了依据。本工作中提出的随机多面体建模方法对陶瓷、岩土等材料的微观分析具有一定借鉴价值。

硅薄膜导热系数微尺度效应的临界尺寸

基于灰介质假设及拟合的色散关系，采用蒙特卡洛方法对微纳米硅薄膜内的声子热输运特性进行了模拟．将3μm厚的硅薄膜导热系数的计算结果与文献结果进行了对比，二者吻合较好．分析了厚度对薄膜内温度场及导热系数的影响．结果表明，当厚度小于某一尺度时，薄膜导热系数会随着厚度的减小而降低，呈现尺度效应；薄膜内温度场也不再是线性分布，而是在边界处呈现阶跃特性，且随着厚度减小，温度阶跃增大．基于该方法求得了100～400K温度区间内，硅薄膜法向导热系数出现明显尺度效应的临界尺寸．计算发现，随着温度的升高，临界尺寸变化范围很大，平均温度为100K时，临界尺寸约为50μm，平均温度为400K时，临界尺寸约为2．5μm，前后相差了一个数量级．