燃?xì)舛姹砻鎆rO2涂層熱-結(jié)構(gòu)耦合分析*

曹　奔,黃貞益,牛亞然,謝玲玲,鄭學(xué)斌

(1　中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所特種無機(jī)涂層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上?！?00050;2　安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院,安徽馬鞍山　243002)

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燃?xì)舛姹砻鎆rO2涂層熱-結(jié)構(gòu)耦合分析*

曹奔1,2,黃貞益2,牛亞然1,謝玲玲1,2,鄭學(xué)斌1

(1中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所特種無機(jī)涂層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200050;2安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院,安徽馬鞍山243002)

摘要:基于流體計算軟件FLUENT和有限元分析軟件ANSYS對燃?xì)舛姹砻鎆rO2涂層進(jìn)行了熱-結(jié)構(gòu)耦合的分析,主要對不同厚度(0.5 mm,1.0 mm和1.5 mm)ZrO2涂層表面的瞬態(tài)溫度及其引起的相變和熱應(yīng)力進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,ZrO2涂層的厚度增加后應(yīng)力值增大導(dǎo)致超過其屈服強(qiáng)度以及ZrO2涂層溫度達(dá)到相變溫度引發(fā)相變是其失效的主要原因;燃?xì)舛娴氖cZrO2涂層的失效密切相關(guān)。計算結(jié)果對探究“消熔舵”技術(shù)中ZrO2涂層及燃?xì)舛娴氖袨橛幸欢ǖ闹笇?dǎo)意義。

關(guān)鍵詞:燃?xì)舛?等離子噴涂;熱-結(jié)構(gòu)耦合;數(shù)值計算

0引言

燃?xì)舛媸枪ぷ饔趯?dǎo)彈燃?xì)鈬娏髦械奶厥庖恚渫ㄟ^在燃?xì)馍淞髦衅D(zhuǎn)產(chǎn)生的推力來控制導(dǎo)彈的飛行方向和姿態(tài)角，從而對空空導(dǎo)彈和垂直發(fā)射導(dǎo)彈進(jìn)行推力矢量控制[1]。由于燃?xì)舛婀ぷ饔诟邷?1600K～2400K)、超聲速(馬赫數(shù)為2～4)射流環(huán)境中，為了保證其不會過早的發(fā)生變形失效，其必須足夠的抗燒蝕和耐沖刷的能力[2]。雖然燃?xì)舛婺茌^快的實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈的俯仰、 偏航和滾轉(zhuǎn)，但其在導(dǎo)彈的飛行過程也會產(chǎn)較大的附加阻力。而運(yùn)用“消熔舵”[3]技術(shù)對消除這種阻力的影響有顯著幫助?！跋鄱妗奔夹g(shù)即在燃?xì)舛嫱瓿煞垡蠛?，若其某部分材料的溫度高于其消熔溫度后會自行熔?其余部分繼續(xù)接受高溫、超聲速燃?xì)饬鞯臎_刷,最終達(dá)到完全消熔的目的。

文中燃?xì)舛娌牧蠟殁伜辖?是因?yàn)槠渚哂休^好的耐高溫能力和較高的比強(qiáng)度等優(yōu)異性能,不僅可以減輕燃?xì)舛娴闹亓?而且可以提高其飛行性能[4]。運(yùn)用等離子體噴涂技術(shù),在鈦合金燃?xì)舛嫔蠂娡?層涂層,從內(nèi)到外分別為金屬粘結(jié)層W涂層、陶瓷層ZrO2涂層和外層W涂層。其中W作為難熔金屬,可以防護(hù)高溫射流中粒子的沖刷,內(nèi)層選用W涂層還可以作為過渡層減少界面應(yīng)力,避免陶瓷層過早剝落[5]。ZrO2涂層主要用于隔熱,防止燃?xì)舛鏈囟壬哌^快。

從“消熔舵”技術(shù)中材料失效的角度考慮,對ZrO2涂層瞬態(tài)相變和熱應(yīng)力進(jìn)行研究:YSZ(ZrO2-6～8wt.%Y2O3)工作溫度超過1 500K[6]后會發(fā)生四方相向單斜相的馬氏體相變,并伴隨著4.5%的體積的膨脹和6%的切變,使得材料的抗熱震性能大大降低而導(dǎo)致材料開裂[7]。若溫度過高引起涂層中的熱應(yīng)力過大,也有可能超過其屈服強(qiáng)度使涂層失效。同時,鈦合金在一定的環(huán)境溫度、壓力和氣流速度條件下會發(fā)生燃燒,從燃燒開始到結(jié)束僅4～20s[4]。而W涂層耐粒子沖刷及耐高溫能力較強(qiáng),故文中未考慮其失效行為。

針對上述問題,文中基于流體計算軟件FLUENT與結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS,對燃?xì)舛姹砻娌煌穸鹊腪rO2涂層進(jìn)行了熱-結(jié)構(gòu)耦合分析,以期獲得ZrO2涂層相變和熱應(yīng)力對“消熔舵”技術(shù)的影響。

1研究方法

1.1計算模型

圖1　計算區(qū)域模型

由于燃?xì)舛姘惭b在噴管出口處,并不會對上游氣流參數(shù)產(chǎn)生影響,為了得到高溫、高壓的超聲速氣流對ZrO2涂層及燃?xì)舛鏌嵝?yīng)的影響,文中在流場分析中對整個問題進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕痆5],整體計算區(qū)域模型如圖1(a)所示。采用如下邊界條件:1)計算域入口:壓力入口條件,設(shè)定燃?xì)饪倝汉涂倻?2)固體域與流體域交界面:流固耦合壁面邊界條件;3)計算域出口:壓力出口條件,設(shè)定環(huán)境總壓和總溫參數(shù);4)其他壁面:絕熱壁面條件。涂層及燃?xì)舛嬗嬎隳Ｐ腿鐖D1(b)所示。

計算中保持內(nèi)層W涂層厚度為0.2mm,外層W涂層厚度為1.5mm,對不同厚度(0.5mm、1.0mm和1.5mm)的ZrO2涂層進(jìn)行研究。取Y=-300mm位置對涂層及燃?xì)舛娴膬?nèi)部溫度進(jìn)行分析。流場參數(shù)見表1,涂層及燃?xì)舛娴牟牧蠀?shù)見表2。

表1　流場基本參數(shù)

表2　涂層及燃?xì)舛娌牧蠀?shù)

1.2計算過程及相關(guān)假設(shè)

基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成技術(shù)建立文中的計算模型。選擇三維黏性k-εRNG湍流模型作為求解基礎(chǔ)進(jìn)行計算。瞬態(tài)計算流動方程采用二階迎風(fēng)差分格式,湍流方程則采用一階迎風(fēng)差分格式,選用隱式耦合求解器求解。

對燃?xì)舛婕巴繉訜嵝?yīng)的研究中,取ZrO2涂層失效溫度區(qū)間為1 300～1 500K。進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合的分析時,將FLUENT溫度場數(shù)據(jù)導(dǎo)入ANSYS結(jié)構(gòu)分析軟件,刪去燃?xì)鈪^(qū)域網(wǎng)格,僅對固體域(ZrO2涂層及燃?xì)舛?進(jìn)行求解。

為了便于分析計算,對模型作如下假設(shè):1)燃?xì)鉃榭蓧嚎s的理想氣體;2)不考慮化學(xué)反應(yīng),認(rèn)為燃?xì)饩|(zhì)單一;3)忽略燃?xì)庵须x散相的影響;4)在耦合傳熱中只考慮對流換熱作用,忽略輻射傳熱的影響。

2燃?xì)舛姹砻娌煌穸萙rO2涂層溫度場計算結(jié)果

圖2為不同厚度ZrO2涂層和燃?xì)舛嫠矐B(tài)溫度計算結(jié)果。由圖2(a)可見,氣流沖刷開始階段1s時,ZrO2涂層表面溫度均為500K。隨著沖刷不斷進(jìn)行不同厚度ZrO2涂層表面溫度升高速率急劇加快,且溫度變化速率趨于一致,溫差為200K。由圖2(b)可見,氣流沖刷開始階段2s時,ZrO2涂層厚度為0.5mm和1.0mm的燃?xì)舛姹砻鏈囟茸兓嗤?。隨著ZrO2涂層溫度不斷升高,3s后,燃?xì)舛姹砻鏈囟瘸霈F(xiàn)明顯差別,溫差達(dá)200K。

由圖2可見,ZrO2涂層厚度增加后,燃?xì)舛婊w失效時間開始晚于ZrO2涂層。ZrO2涂層和燃?xì)舛婊w表面溫度升高速率明顯減緩,最長耐沖刷時間達(dá)到8s和8.5s。

圖2　不同厚度ZrO2涂層和燃?xì)舛婊w瞬態(tài)溫度

3燃?xì)舛婕癦rO2涂層應(yīng)力場計算結(jié)果

3.1不同厚度ZrO2涂層的應(yīng)力場計算結(jié)果

圖3　不同厚度ZrO2涂層的瞬態(tài)應(yīng)力場

圖3為燃?xì)舛姹砻娌煌穸萙rO2涂層應(yīng)力場瞬態(tài)計算結(jié)果。由圖3可見,ZrO2涂層前緣中心為應(yīng)力集中部位,因?yàn)榇颂幦細(xì)饬鲝?qiáng)烈滯止,馬赫數(shù)接近于零,但溫度、壓力達(dá)到最高。由圖3(a)可見,ZrO2涂層厚度為0.5mm時,5s時溫度達(dá)到其相變溫度1 300K,應(yīng)力極值為107.2MPa;7s時溫度已經(jīng)超過設(shè)定的失效溫度范圍達(dá)到1 700K,應(yīng)力極值為134.9MPa。而ZrO2涂層的屈服強(qiáng)度為138MPa[8],此時應(yīng)力極值仍未達(dá)到其屈服強(qiáng)度?？梢?厚度為0.5mm的ZrO2涂層的失效原因主要是其溫度升高過快發(fā)生相變導(dǎo)致的。由圖3(b)可見,ZrO2涂層厚度為1.0mm時,5s時應(yīng)力極值為116.4MPa,溫度為1 150K,接近ZrO2涂層的相變溫度;7s時溫度已經(jīng)達(dá)到1 500K,應(yīng)力極值為141.3MPa,略大于ZrO2涂層的屈服強(qiáng)度(138MPa)?？梢?厚度為1.0mm的ZrO2涂層的失效原因是其相變和熱應(yīng)力共同作用的結(jié)果。由圖3(c)可見,ZrO2涂層厚度達(dá)到1.5mm后,5s時應(yīng)力極值為131.7MPa,溫度為900K;7s時溫度為1 300K,剛達(dá)到其相變溫度,而應(yīng)力極值為154.9MPa,已經(jīng)超過其屈服強(qiáng)度?？梢?厚度為1.5mm的ZrO2涂層的失效原因主要是其熱應(yīng)力導(dǎo)致的。

3.2燃?xì)舛姹砻鎽?yīng)力場計算結(jié)果

圖4為不同厚度ZrO2涂層的燃?xì)舛姹砻鎽?yīng)力場瞬態(tài)計算結(jié)果。由圖4可見,燃?xì)舛嬖赯rO2涂層保護(hù)下溫度較低,前緣中心仍是應(yīng)力集中的部位。由圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)可見,9s時,ZrO2涂層厚度為0.5mm、1.0mm和1.5mm的燃?xì)舛鎽?yīng)力極值分別為357.6MPa、284.3MPa和306.5MPa,遠(yuǎn)小于鈦合金的屈服強(qiáng)度896.4MPa[9]?？梢?燃?xì)舛娴氖е饕cZrO2涂層的失效有關(guān),ZrO2涂層失效后,燃?xì)饬髦苯訉θ細(xì)舛鏇_刷,直至燃?xì)舛姘l(fā)生“鈦火”燃燒而“消熔”。

圖4　不同厚度ZrO2涂層的燃?xì)舛婊w瞬態(tài)應(yīng)力場

4結(jié)論

基于FLUENT流體計算軟件及ANSYS結(jié)構(gòu)分析軟件,對表面加有不同厚度的ZrO2涂層和燃?xì)舛孢M(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合計算,可得出如下結(jié)論:

1)ZrO2涂層厚度增加后,其失效原因與溫度變化導(dǎo)致的熱應(yīng)力和發(fā)生相變均有關(guān)。所以選擇ZrO2涂層厚度時需綜合考慮這兩方面因素的影響。

2)燃?xì)舛娴氖cZrO2涂層的失效密切相關(guān)。ZrO2涂層失效開裂后剝落,燃?xì)舛姘l(fā)生“鈦火”燃燒為其主要的失效原因。

3)利用兩個軟件各自的優(yōu)勢,實(shí)現(xiàn)了流場、熱的雙向耦合及流場、熱到結(jié)構(gòu)的單向耦合,對“消熔舵”技術(shù)的探索具有可行性,有助于預(yù)測添加ZrO2涂層后的燃?xì)舛嬖诜郗h(huán)境中的瞬態(tài)傳熱及熱-結(jié)構(gòu)行為。

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*收稿日期:2015-04-13

基金項(xiàng)目:國家國際科技合作專項(xiàng)基金(2013DFG522PD);中國科學(xué)院特種無機(jī)涂層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題基金(KLICM-2013-09)資助

作者簡介:曹奔(1990-),男,安徽滁州人,碩士研究生,研究方向:高溫防護(hù)涂層研究。

中圖分類號:V435

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

CoupledThermalandStructuralAnalysisofGasVanewithPlasma-sprayedZrO2Coating

CAOBen1,2,HUANGZhenyi2,NIUYaran1,XIELingling1,2,ZHENGXuebin1

(1KeyLaboratoryofInorganicCoatingMaterials,ShanghaiInstituteofCeramics,ChineseAcademyofScience,Shanghai200050,China; 2SchoolofMetallurgicalEngineering,AnhuiUniversityofTechnology,AnhuiMaanshan243002,China)

Abstract:Coupled thermal and structural analysis of gas vane with plasma-sprayed ZrO2 coating was investigated based on computational fluid dynamics (CFD)numerical simulation software FLUENT and finite element method(FEM)analysis software ANSYS. Phase transformation and thermal stress along with the transient temperature of ZrO2 coating with different coating thickness (0.5 mm, 1.0 mm and 1.5 mm, respectively) were mainly discussed. The results show that the stress of ZrO2 coating increases with increasing the thickness of ZrO2coating, when it reaches the yield point would lead to failure of ZrO2 coating. Simultaneously, reaching the phase transition temperature is as well an important factor for failure of ZrO2 coating. Failure of gas vane is closely related to failure of ZrO2 coating. The result is of certain guiding significance to explore failure of ZrO2 coating and gas vane in “melting vane” technique.

Keywords:gas vane; plasma spray; coupled thermal and structural analysis; numerical simulation