基于热力耦合的非线性复合涂层疲劳裂纹扩展和寿命分析

作     者：张文豪 

作者单位：青岛科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李松梅

授予年度：2023年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：复合涂层 三维粗糙纹理表面 疲劳裂纹扩展 疲劳寿命 

摘      要：本课题基于山东省军民融合重点研发项目,研究基于热力耦合的非线性复合涂层疲劳裂纹扩展和寿命分析。复合涂层涂覆舰船表面进行拉毛处理使其具有较好的防滑性,以提高基体钢板的性能。由于舰船航行范围广距离远,外界环境温度变化产生的热应力会影响复合涂层性能,因此有必要研究考虑极热和极寒温度对复合涂层粗糙纹理表面疲劳裂纹扩展和寿命造成的影响,本文主要研究内容和结论如下:首先,通过基本弹性元件和粘性元件模型加入粘弹性材料的特有属性,同时考虑损伤后的蠕变柔量和松弛模量,推导出适用于本复合涂层材料的本构模型,并进行复合涂层力学性能试验。试验结果表明复合涂层材料高温下变软韧,抗剪能力降低,抗压能力下降,疲劳寿命增加;低温下变脆硬,抗剪能力降低,抗压能力提高,疲劳寿命减少。且推导出的复合涂层本构模型与试验曲线拟合后吻合程度较高,为后续仿真的计算提供输入参数。其次,采用随机过程函数和数字滤波技术来表征复合涂层高斯随机粗糙表面,使用指数型自相关函数作为输入量,代入到高度分布函数和空间分布函数里,建立了复合涂层的高斯随机粗糙表面模型。并通过对高斯随机粗糙表面与条纹状纹理表面进行归一化处理,得到最终所需的三维粗糙纹理表面,为仿真计算提供几何模型。再次,在不同温度、表面形貌、基体钢板厚度、裂纹长度和裂纹位置条件下对复合涂层裂纹的应力强度因子K和J积分进行分析,得出极热和极寒工况下,裂纹为张开型(I型)裂纹,极热工况下温度增加复合涂层裂纹开裂风险也随之升高,极寒工况下温度降低复合涂层裂纹开裂风险也随之升高。在极热工况下,σ=4mm的表面、钢板厚度为10mm、裂纹长度为2mm和裂纹在坡面处时复合涂层表面裂纹开裂风险最高;在极寒工况下,σ=1mm的表面、钢板厚度为10mm、裂纹长度为2mm和裂纹在坡面处时复合涂层表面裂纹开裂风险最高,为复合涂层疲劳裂纹扩展趋势提供重要的参考依据。最后,考察在温度、表面形貌、基体钢板厚度、裂纹长度和裂纹位置这五个因素影响下,分析复合涂层疲劳寿命和疲劳裂纹扩展趋势,得出极寒工况下裂纹尖端附近等效应力更大、变形量较多、疲劳寿命更短和裂纹程度较大的结论。在不同极热温度下,裂纹扩展趋势呈指数型增长,极热温度越高复合涂层疲劳寿命越短,疲劳裂纹扩展程度越大;在不同极寒温度下,裂纹扩展趋势呈线性增长,极寒温度越低复合涂层疲劳寿命越短,疲劳裂纹扩展程度越大。在极热工况下,σ=8mm的表面、钢板厚度为10mm、裂纹长度为2mm和裂纹在坡面处时复合涂层疲劳寿命最短,疲劳裂纹扩展程度最大;在极寒工况下,σ=4mm的表面、钢板厚度为10mm、裂纹长度为2mm和裂纹在坡面处时复合涂层疲劳寿命最短,疲劳裂纹扩展程度最大,为复合涂层实际应用下的寿命预测和性能升级提供理论参考。