燒蝕損傷
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-26
燒蝕損傷的視頻教程
復合材料雷擊損傷——基于abaqus的雷擊過程及剩余強度仿真
飛機飛行過程中遭受雷擊的情況屢見不鮮，由于CFRP的導電、導熱及電磁屏蔽性能較差，在遭受雷擊時，往往會引起材料的燒蝕、穿孔等損傷，嚴重威脅飛機的飛行安全，因此對CFRP進行防雷設計至關重要。 課程目的： 本課程通過考慮電-熱-化學多物理場之間的相互耦合，探究CFRP在雷擊環境下的損傷特性和失效機理，對實現CFRP雷擊防護層的優化設計、保證飛機的安全飛行具有重要意義。
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燒蝕損傷的實例教程
根據焦耳熱定律，雷電流流過時由材料電阻產生的大量焦耳熱量使材料溫度上升，導致材料出現燒蝕損傷。燒蝕損傷也會使材料的導電性和導熱性能降低。受到雷擊作用后，復合材料的性能必然會下降，因此還需要對雷擊后復合材料的剩余強度進行分析，定量計算雷擊對復合材料承載力的影響。
對復合材料的雷擊分析可以分為兩個步驟：1 電-熱強耦合分析，2 考慮初始燒蝕損傷的復合材料漸進損傷分析。
電-熱強耦合分析
電流流過導體的過程中，所耗散的能量會轉化為熱能，即產生焦耳熱。電場控制方程為
電流流過導體耗散的能量可以通過焦耳定律描述
熱流密度可以表示為
這里假設耗散的電能全部轉換為熱量，則ηv=1.
熱傳導方程可以用下式描述
美國軍用標準給出了雷電載荷的波形
選取電流幅值最大的A段作為初始雷擊進行分析，A段電流可以用下式描述
A段電流波形如下
最后
建立如圖所示的平板進行電-熱耦合分析
可以得到平板中心點處不同時間的溫度分布如圖所示
考慮初始燒蝕損傷的復合材料漸進損傷分析
通過電-熱耦合分析得到溫度場后，可以根據溫度場確定雷擊導致的燒蝕區域。通過USDFLD子程序標記燒蝕的單元，并將其損傷設置為1.然后結合UMAT子程序，采用hashin準則https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1206124對含初始損傷的復合材料平板進行漸進損傷分析，以獲得其剩余強度。計算得到的損傷云圖和載荷位移曲線如圖所示。
可以發現，在拉伸載荷作用下，復合材料從雷擊點處開始發生破壞，失效過程與中心開孔板類似。通過修改不同的電流峰值，可以定量得到雷擊對復合材料強度的影響。
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展開 根據焦耳熱定律，雷電流流過時由材料電阻產生的大量焦耳熱量使材料溫度上升，導致材料出現燒蝕損傷。燒蝕損傷也會使材料的導電性和導熱性能降低。受到雷擊作用后，復合材料的性能必然會下降，因此還需要對雷擊后復合材料的剩余強度進行分析，定量計算雷擊對復合材料承載力的影響。
對復合材料的雷擊分析可以分為兩個步驟：1 電-熱強耦合分析，2 考慮初始燒蝕損傷的復合材料漸進損傷分析。
電-熱強耦合分析
電流流過導體的過程中，所耗散的能量會轉化為熱能，即產生焦耳熱。電場控制方程為
電流流過導體耗散的能量可以通過焦耳定律描述
熱流密度可以表示為
這里假設耗散的電能全部轉換為熱量，則ηv=1.
熱傳導方程可以用下式描述
美國軍用標準給出了雷電載荷的波形
選取電流幅值最大的A段作為初始雷擊進行分析，A段電流可以用下式描述
A段電流波形如下
建立如圖所示的平板進行電-熱耦合分析
可以得到平板中心點處不同時間的溫度分布如圖所示
考慮初始燒蝕損傷的復合材料漸進損傷分析
通過電-熱耦合分析得到溫度場后，可以根據溫度場確定雷擊導致的燒蝕區域。通過USDFLD子程序標記燒蝕的單元，并將其損傷設置為1.然后結合UMAT子程序，采用hashin準則https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1206124對含初始損傷的復合材料平板進行漸進損傷分析，以獲得其剩余強度。計算得到的損傷云圖和載荷位移曲線如圖所示。
可以發現，在拉伸載荷作用下，復合材料從雷擊點處開始發生破壞，失效過程與中心開孔板類似。通過修改不同的電流峰值，可以定量得到雷擊對復合材料強度的影響。
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展開 單晶渦輪葉片高能束增材再制造是修復磨損、燒蝕和裂紋等損傷缺陷的主要方式，是航空發動機熱端部件特種加工領域最具挑戰性的工作之一，其中蘊含的外延生長組織接續與調控機制、內部冶金缺陷控制等科學問題和關鍵工藝尚未完全突破。梳理了熔焊熔池內凝固組織定向生長的理論發展，基于已有的枝晶異質形核和異向生長理論，構建了單晶高能束修復的基礎原理框架；詳細分析了"修復工藝-熔池特性-凝固組織"之間的內在關聯，提出了保持單晶連續穩定生長的工藝調控準則和熔池監控方法；總結了修復區γ'相等微觀組織以及熱裂紋、氣孔等冶金缺陷的演化規律和調控手段，凝練了單晶修復面臨的主要挑戰。此外，介紹了航空發動機熱端部件再制造領域相關的國外重大研究計劃，并對今后研究方向和發展趨勢進行總結和展望。
鎳基高溫合金是航空發動機渦輪葉片使用最為廣泛的材料[1]，按凝固組織形貌可分為等軸晶、定向晶和單晶，使役性能不斷提高[2](見圖 1)。單晶高溫合金(如無特殊說明，文中單晶合金均指鎳基單晶高溫合金)消除了產生偏析的全部晶界和低熔點的晶界強化元素，具有較高的高溫強度、優異的蠕變與疲勞抗力以及良好的抗氧化性、抗熱腐蝕性能[3-4]。以單晶合金為材料，結合高效的空芯冷卻設計和熱障涂層，可以滿足先進航空發動機高達1 800 ℃的渦輪前溫度要求。
圖 1 航空發動機渦輪葉片凝固組織[2]
Fig. 1 Solidification structures of aero-engine turbine blades[2]
單晶渦輪葉片的鑄造工序復雜、成品率低、含有大量貴重元素，因此價值較高。葉片在服役過程中會不可避免承受高周疲勞、蠕變伸長、環境與熱應力復合等因素影響，出現磨損、裂紋、表面燒蝕和腐蝕等問題[5]。
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