热障涂层活塞热应力高阶控制体有限元法研究

摘要

为研究热障涂层(thermal barrier coating, TBC)活塞热应力问题,本文发展了一种针对复合材料热力问题的三维高阶控制体有限元法(CV-FEM).我们基于10点高阶四面体单元,对控制方程数值离散过程做了详细推导;利用交错网格技术,将待解变量及材料物性参数分别存储在单元节点以及单元中心;采用高阶CV-FEM对圆环热应力问题进行了数值验证,计算结果与ANSYS吻合良好;数值模拟了层和型及功能梯度型(functional graded material, FGM)活塞热应力问题.结果表明:活塞的最大温度位于燃烧室与活塞顶面的交界区域;最大应力位于粘结层附近,改变层和型TBC活塞材料组分、材料分布或改变FGM TBC活塞的材料梯度系数,均不能有效降低最大应力幅值;通过在粘结层内引入材料属性由金属基体材料到粘结剂材料过渡的FGM,可以有效降低层合型及功能型TBC活塞涂层内应力幅值,使应力幅值下降20%~30%,改善了应力集中问题.