燒蝕損傷的案例
Abaqus 復(fù)合材料雷擊后的電-熱-力多場耦合分析
根據(jù)焦耳熱定律，雷電流流過時(shí)由材料電阻產(chǎn)生的大量焦耳熱量使材料溫度上升，導(dǎo)致材料出現(xiàn)燒蝕損傷。燒蝕損傷也會使材料的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能降低。受到雷擊作用后，復(fù)合材料的性能必然會下降，因此還需要對雷擊后復(fù)合材料的剩余強(qiáng)度進(jìn)行分析，定量計(jì)算雷擊對復(fù)合材料承載力的影響。
對復(fù)合材料的雷擊分析可以分為兩個(gè)步驟：1 電-熱強(qiáng)耦合分析，2 考慮初始燒蝕損傷的復(fù)合材料漸進(jìn)損傷分析。
電-熱強(qiáng)耦合分析
電流流過導(dǎo)體的過程中，所耗散的能量會轉(zhuǎn)化為熱能，即產(chǎn)生焦耳熱。電場控制方程為
電流流過導(dǎo)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(shè)耗散的電能全部轉(zhuǎn)換為熱量，則ηv=1.
熱傳導(dǎo)方程可以用下式描述
美國軍用標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)行電-熱耦合分析
可以得到平板中心點(diǎn)處不同時(shí)間的溫度分布如圖所示
考慮初始燒蝕損傷的復(fù)合材料漸進(jìn)損傷分析
通過電-熱耦合分析得到溫度場后，可以根據(jù)溫度場確定雷擊導(dǎo)致的燒蝕區(qū)域。通過USDFLD子程序標(biāo)記燒蝕的單元，并將其損傷設(shè)置為1.然后結(jié)合UMAT子程序，采用hashin準(zhǔn)則https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1206124對含初始損傷的復(fù)合材料平板進(jìn)行漸進(jìn)損傷分析，以獲得其剩余強(qiáng)度。計(jì)算得到的損傷云圖和載荷位移曲線如圖所示。
可以發(fā)現(xiàn)，在拉伸載荷作用下，復(fù)合材料從雷擊點(diǎn)處開始發(fā)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(fù)合材料強(qiáng)度的影響。
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根據(jù)焦耳熱定律，雷電流流過時(shí)由材料電阻產(chǎn)生的大量焦耳熱量使材料溫度上升，導(dǎo)致材料出現(xiàn)燒蝕損傷。燒蝕損傷也會使材料的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能降低。受到雷擊作用后，復(fù)合材料的性能必然會下降，因此還需要對雷擊后復(fù)合材料的剩余強(qiáng)度進(jìn)行分析，定量計(jì)算雷擊對復(fù)合材料承載力的影響。
對復(fù)合材料的雷擊分析可以分為兩個(gè)步驟：1 電-熱強(qiáng)耦合分析，2 考慮初始燒蝕損傷的復(fù)合材料漸進(jìn)損傷分析。
電-熱強(qiáng)耦合分析
電流流過導(dǎo)體的過程中，所耗散的能量會轉(zhuǎn)化為熱能，即產(chǎn)生焦耳熱。電場控制方程為
電流流過導(dǎo)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(shè)耗散的電能全部轉(zhuǎn)換為熱量，則ηv=1.
熱傳導(dǎo)方程可以用下式描述
美國軍用標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)行電-熱耦合分析
可以得到平板中心點(diǎn)處不同時(shí)間的溫度分布如圖所示
考慮初始燒蝕損傷的復(fù)合材料漸進(jìn)損傷分析
通過電-熱耦合分析得到溫度場后，可以根據(jù)溫度場確定雷擊導(dǎo)致的燒蝕區(qū)域。通過USDFLD子程序標(biāo)記燒蝕的單元，并將其損傷設(shè)置為1.然后結(jié)合UMAT子程序，采用hashin準(zhǔn)則https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1206124對含初始損傷的復(fù)合材料平板進(jìn)行漸進(jìn)損傷分析，以獲得其剩余強(qiáng)度。計(jì)算得到的損傷云圖和載荷位移曲線如圖所示。
可以發(fā)現(xiàn)，在拉伸載荷作用下，復(fù)合材料從雷擊點(diǎn)處開始發(fā)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(fù)合材料強(qiáng)度的影響。
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展開 李應(yīng)紅院士|渦輪葉片高能束增材再制造修復(fù)技術(shù)：理論、工藝、熔池、組織、缺陷及性能
單晶渦輪葉片高能束增材再制造是修復(fù)磨損、燒蝕和裂紋等損傷缺陷的主要方式，是航空發(fā)動機(jī)熱端部件特種加工領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的工作之一，其中蘊(yùn)含的外延生長組織接續(xù)與調(diào)控機(jī)制、內(nèi)部冶金缺陷控制等科學(xué)問題和關(guān)鍵工藝尚未完全突破。梳理了熔焊熔池內(nèi)凝固組織定向生長的理論發(fā)展，基于已有的枝晶異質(zhì)形核和異向生長理論，構(gòu)建了單晶高能束修復(fù)的基礎(chǔ)原理框架；詳細(xì)分析了"修復(fù)工藝-熔池特性-凝固組織"之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，提出了保持單晶連續(xù)穩(wěn)定生長的工藝調(diào)控準(zhǔn)則和熔池監(jiān)控方法；總結(jié)了修復(fù)區(qū)γ'相等微觀組織以及熱裂紋、氣孔等冶金缺陷的演化規(guī)律和調(diào)控手段，凝練了單晶修復(fù)面臨的主要挑戰(zhàn)。此外，介紹了航空發(fā)動機(jī)熱端部件再制造領(lǐng)域相關(guān)的國外重大研究計(jì)劃，并對今后研究方向和發(fā)展趨勢進(jìn)行總結(jié)和展望。
鎳基高溫合金是航空發(fā)動機(jī)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(chǎn)生偏析的全部晶界和低熔點(diǎn)的晶界強(qiáng)化元素，具有較高的高溫強(qiáng)度、優(yōu)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(jié)合高效的空芯冷卻設(shè)計(jì)和熱障涂層，可以滿足先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)高達(dá)1 800 ℃的渦輪前溫度要求。
圖 1 航空發(fā)動機(jī)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(fù)雜、成品率低、含有大量貴重元素，因此價(jià)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(huán)境與熱應(yīng)力復(fù)合等因素影響，出現(xiàn)磨損、裂紋、表面燒蝕和腐蝕等問題[5]。
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