动力机械应用功能梯度材料寿命评估与优化研究

华中科技大学博士学位论文动力机械应用功能梯度材料寿命评估与优化研究姓名：张恒良申请学位级别：博士专业：动力机械及工程指导教师：张宗杰2011-05-17华中科技大学博士学位论文I摘要能源行业大量的动力机械工作在高温环境，温度的提高对金属材料的性能产生比较大的影响，限制了该行业许多有效提高经济性的方法和手段，比如，对于火力发电，提高主蒸汽的参数是提高火电机组热效率的有效手段，目前对于参数的提高主要是针对压力，已经达到超临界以上，而目前主蒸汽温度一般限制在620℃以下，该行业将来的一个重要发展方向是依靠研究耐高温性能材料来提高温度，其中，功能梯度材料是首选。功能梯度材料是具有使用功能、适应环境和可控的先进材料，具有传统复合材料无法比拟的诸多优点，随着制造成本的降低，可以预见，在不久的将来在不同行业都会有很好的应用。本文从实际应用出发，对复杂形状功能梯度材料结构在复杂边界条件和载荷下温度、应力分布和寿命损伤评估及优化问题做了分析和研究。由于工作在高温环境下，在考虑物性参数对温度的依赖条件下，首先，对特定边界条件和组分空间分布的功能梯度材料有限长圆柱内温度场和应力场进行了解析求解，为近似求解提供标准。接下来，对复杂形状功能梯度材料结构内温度场和应力场进行近似解析的计算，算例分析表明，用提出模型计算结果与有限元计算结果吻合程度较好。为获得符合工程实际且相对准确边界条件，利用反问题对对流换热系数进行参数识别，在获得温度场和应力场信息后，研究了材料结构损伤机理和损伤评估及优化模型。由于目前功能梯度材料尚未在工程实际中广泛应用，为验证和推广本文提出模型和方法，本文分析了动力机械目前大量使用的作为功能梯度材料退化形式均匀复合材料温度场和应力场计算问题，包括在第三类边界条件下有限长圆柱内温度场和应力场进行了解析求解，复杂形状三维结构内温度场和应力场进行近似解析的计算，以实际设备为对象，用该方法与有限元方法分别进行计算，结果表明提出模型具有较理想精度。在此基础上，开发出一套转子热应力和疲劳寿命在线监测系统并成功在电厂中投运，取得了较好作用和经济效益，为功能梯度材料在动力机械中应用提供了有益的分析和探索。关键词：功能梯度材料；温度；应力；疲劳；在线监测华中科技大学博士学位论文IIAbstractManypartsinenergyindustryareworkingunderhightemperatureconditions,theelevationoftemperaturehasgreatinflunceonthemetalmaterialproperties,whichlimitssomeefficientwaysofimprovingeconomics,e.g.,thetemperatureofsuperheatedsteam.Thepressureofsuperheatedsteaminapowerunitshasalreadyreachedsupercriticalpressure.However,thetemperatureofsuperheatedsteamislimitedbeneath620,itis℃importanttoresearchanddevelopnewmaterialstoelevatesuperheatedsteamtemperature.Functionallygradedmaterials(FGM),thankstothespatialcontinuityandfunctionalflexibilityofthevolumefractiondistributionofconstituentparticles,providesuperiorthermomechanicalperformances,whencomparedwithothercompositematerials.FGMscanwithstandhigh-temperatureenvironmentswhilemaintaintheirstructuralintegrity,thusthematerialshavebeenappliedwidelyforultimatehigh-temperatureconditionssuchasspacecrafts,nuclearplants,fusionreactors,etc.Inthispaper,theestimationoftemperature,thermalstressanddamageforaFGMstructurewithcomplexgeometryandloadconditionshasbeenresearchedandanalyzedfromtherequirementofapplication.Firstly,nonlinearsteadyheattransferandthermoelasticstressanalysesofathick-walledFGMcylinderwithtemperaturedependentmaterialsareperformedbyusinganalyticalmethod.Secondly,Nonlineartransientheattransferandthermoelasticstressanalysesofa2-Daxis-symmitricFGMobjectwithtemperaturedependentmaterialsareperformedbyusingtheperturbationmethod.TwocaseshavebeengiventocomparetheresultscalculatedbythemodelsdeducedwiththosecalculatedbyFEM(finiteelementmethod).Itisshownthatthemodelspresentedinthisworkhavesatisfiedaccuracy.Inordertoobtainaccuracyboundaryconditions,inversemethodshavebeenadaptedinsolvingtransientheattransferproblemanddeterminingtheheattransfercoefficient.DamagemodelisalsobeendiscussedwiththetheoryofMiner’srule,thusitcanbeusedtoonlineevaluatethedamagecausedbyhightemperaturelowcycleloading.Anon-linefatigueandcreepmonitoringsystemhasbeendevelopedbasedonthemodelsmentionedabove.ThesystemisinsetintoDCSmonitoringandcontrolsystemandcanon-linemonitorthefatigueandcreepdegradationofseveralcomponentsinapowerplant.Thesystemconvertstheplanttransientstotemperature/stressresponses,computesthefatigueusagefactorandupdatestheinformationcontinuously.Thissystemhasalready华中科技大学博士学位论文IIIbeeninstalledatHenanJiaozuopowerplantinchinaformonitoringthefatigueandcreepdegradation,whichgivesmuchhelpfortheapplicationofFGMinenergyindustry.Keywords:Functionallygradedmaterials;temperature;thermalstresses;fatigue;onlinemonitoring独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在____________年解密后适用本授权书。不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日本论文属于华中科技大学博士学位论文11前言1.1课题背景和意义能源动力行业大量的动力机械设备工作在高温环境，温度的提高对金属材料的性能产生比较大的影响，限制了该行业许多有效提高经济性的方法和手段，为保证设备的安全、经济运行，对动力机械设备的材料性能进行研究，提高设备在高温环境下的安全性和可靠性非常有理论价值和实际意义。目前能源行业主要动力机械设备主要使用均匀复合材料，该行业将来的一个重要发展方向是依靠研究耐高温性能材料来提高热力循环热源温度，满足工程上对安全性和经济性的要求，这其中，功能梯度材料因为自身具有优势，是首选材料。功能梯度复合材料简称功能梯度材料(FunctionallyGradedMaterials，)，这种新型复合材料昀早是20世纪80年代由日本科学家Noda及其合作者为了解决航天飞机在高温环境下的安全性问题首次提出的。功能梯度材料与普通非均匀材料有很大的不同，主要区别在于功能梯度材料与传统的非均匀材料在宏观组分空间分布、微结构典型代表单元及性能上的差别，传统的非均匀材料宏微观都是非均匀的，而前者结构内在微观典型代表单元上是非均匀的，而在宏观上空间组分组成和分布上，由不同材料间不分界的整体化融合型而成，在典型代表单元内部可认为是局部统计均匀材料。正因为这个原因，与传统的非均匀材料相比，这种材料在宏观尺度上各组份材料的体积含量可作为在空间位置上是连续变化的来处理，其物理性能和参数没有突变，可较好地避免或降低层合材料所具有的应力集中现象。功能梯度材料一个重要的优势是其具有可设计性，这里的可设计性不仅是指结构外形设计，还包括组分空间分布设计。由于该材料是一种可以依据使用要求，选择两种或两种以上不同性能的组分，采用先进的材料复合技术，使中间部分的组成和结构呈梯度连续变化的新型材料，其在使用过程中可根据使用环境特点和使用目标的不同调整其内组分组成，并可通过优化方法按照一定规则改变各组份材料体积含量的空间分布规律，进而达到优化结构内部温度、应力分布以及满足其它特定需要的目的，满足不同应用场合的要求，组分空间分布可设计性是功能梯度材料的特有优势。华中科技大学博士学位论文2功能梯度材料概念被提出以来，其在高温环境下的性能研究是国内外研究的热点，同时也是一个相当新的研究领域，在可预见的相当长一段时间内，该热点将会保持和发展。在经过组分选取和空间分布优化后，功能梯度材料具有很好的抗高温性，昀开始主要被考虑用作航空航天飞行器的表面涂层材料，解决航天飞机在大气层中表面层合涂层与大气摩擦产生的受热变形脱落的问题。由于该材料具有的特点和优势，目前已发展到直接用来制作工程设备结构构件，该材料及相关技术被国内外一致认为是未来航空航天飞行、能源以及国防武器装备等的关键技术之一。此外，功能梯度材料在机械、光电、生物医学、化学、信息、建筑等领域也有着广阔的使用前景，它可以解决目前常规复合材料无法解决