功能梯度材料压力容器热力耦合应力分析.pdf

大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知,除文中已经注明引用内容和致谢的地方外,本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果,也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处,本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目:丛鱼竖丛盘匡查窒醴查捣垂鏖查垂堑作者签名:高邀蝇日期:!!!!年—L月jf_日大连理工大学硕士学位论文摘要功能梯度材料(FunctionallyGradedMaterial,FGM)是21世纪最具前景的新型材料之一,呈现出优良的防热、耐腐蚀和可设计性。功能梯度材料压力容器是一种根据实际情况需要而设计成为一种材料呈梯度分布、复合而成的轴对称旋转型壳体结构,内、外层用来抵抗腐蚀或隔热,而且根据内外层结构不同的受力变形程度,设计成不同材料制造,从而起到降低成本,减轻结构重量的功能。目前,FGM压力容器结构热力耦合力学行为分析成为国内外研究难点和热点。为了跟踪这些研究热点,本文在前人研究工作的基础上开展了以下几方面的研究工作。(1)仅考虑在内压载荷作用下,基于小应变线弹性理论和变系数微分方程欧拉法,推导了材料组分沿壁厚呈指数变化的功能梯度材料压力容器简体和半球形封头三向应力的解析解,并基于有限元数值方法,验证了理论推导的准确性。结合具体案例,分别绘制出壳体各向应力的理论解与数值解沿径向厚度的关系曲线,并比较分析了弹性模量梯度因子对结构应力分布影响。(2)由于FGM能够很好的缓解热应力,为此,本文还考虑了在温度载荷作用下FGM压力容器三向应力分布特性。首先通过建立功能梯度材料温度分布函数模型,然后推导了功能梯度材料压力容器筒体和半球形封头三向热应力解析解,最后基于有限元数值方法验证了理论推导公式的准确性。同时,根据线性叠加原理,给出了FGM压力容器在内压和温度同时作用下的三向应力计算式,并讨论了弹性模量梯度因子、热膨胀系数梯度因子和热导率梯度因子对FGM压力容器三向应力分布的影响。(3)考虑到FGM高昂的制造成本和涂层技术的曰趋成熟,本文还研究了嵌入功能梯度材料的“三明治”结构复合材料(三层结构,中间为功能梯度材料,两侧为单一金属材料)压力容器的三向应力分布特性,同样基于有限元数值法验证了理论推导的准确性,并详细讨论了该“三明治”材料结构在内压和温度作用下应力分布特性。关键词:压力容器;功能梯度材料;热力耦合;有限元;应力分析功能梯度材料压力容器热力耦合应力分析StressAnalysisofFGMPressureVesselunderInternalPressureandTemperatureLoadsAbstractFunctionallygradedmaterial(FGM),whichholdsmanyexcellentpropertiessuchasgoodheatresistant,,thisarticlemainlycarriedoutthefollowingseveralaspectsoftheresearchworkonthebasisofpreviousresearch.(1)Onlytakingtheinternalpressureloadintoconsideration,,wasderivedbasedonthesmallstrain1inearelasti