表面微结构对超低温冲击应力防护的数值模拟研究

作     者：张忠梁 吴承伟 

作者机构：阳光氢能科技有限公司 大连理工大学力学与航空航天学院 

出 版 物：《应用力学学报》 (Chinese Journal of Applied Mechanics)

年 卷 期：2024年

学科分类：08[工学] 082504[工学-人机与环境工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

基　　金：国家自然科学基金资助(12172083) 

主　　题：热沉 热冲击应力 表面微结构 热防护 数值模拟 

摘      要：热沉是大型空间环境模拟器的重要部件，在服役过程中热沉冷却管道反复受到液氮或气氮的低温冲击应力作用，容易造成疲劳损伤和裂纹，导致热沉出现泄漏事故。针对该问题本文提出了设计表面仿生柱状微结构的防护思想，建立了光滑管道和内壁带微结构管道受低温冲击的有限元瞬态应力分析模型，通过数值模拟方法研究了这两种管道内壁在受到低温气氮冲击后的结构应力、柱状微结构与管壁基体之间过渡曲面以及其它表面微结构设计参数对结构最大应力的影响，揭示了表面微结构对于低温冲击应力的防护机理。研究表明，光滑面的最大热冲击应力发生在表面，带有微柱结构粗糙面的最大热冲击应力发生在微柱结构与管壁基底的过渡曲面。与光滑表面相比，表面柱状微结构可以降低管壁低温冲击应力53%以上，表现出良好的抗热冲击防护性能；微结构根部的过渡曲面可以显著降低应力集中现象，且存在一个最优过渡椭圆曲面使得结构最大热冲击应力最小；表面微结构的高度、半径、分布周期等参数对热冲击应力影响较大。这项研究为热沉等管路结构超低温冲击应力疲劳防护提供了新思路。