强瞬态热载荷下功能梯度材料断裂失效研究

Functionally graded materials (FGMs), as a type of typical composite materials, are mainly applied to the heat dissipation system in gas-turbine engines and main structure of advanced spacecrafts. Strong thermal shock is a typical loading for FGMs during service, meanwhile fracture damage is one of typical failure modes. However, the effect of strong thermal shock on the fracture behaviours in FGMs still needs to be further investigated. Especially, it is in great demands to build a corresponding evaluation method.. The present project aims to consider the following three aspects: 1). A theoretical model is developed to efficiently evaluate the fracture parameters of FGMs under strong-transient thermal shock by considering relaxation effect and inertia effect. 2) A thermal shock resistance model for general FGMs with mixed-model cracks is established according to strength-based and fracture-based criteria, and the critical failure temperature change in general FGMs with mixed-mode cracks is obtained by considering crack type and the influence of the material property distribution. 3) Thermal shock fracture experiments for FGMs are explored to test the material property and fracture parameter. This project will provide an in-depth understanding of the thermal fracture mechanisms of FGMs, and will be great significant for the design, evaluation and engineering applications of the FGM structures.

功能梯度材料是一类典型的复合材料，主要应用于涡轮发动机和高速飞行器主体结构的热防护系统。强瞬态热载荷是热防护系统的典型工况，断裂失效又是功能梯度材料在服役时的典型失效模式，然而强瞬态热载荷对功能梯度材料断裂行为的影响和机制仍然有待深入研究，尤其需要建立功能梯度材料在强瞬态热载荷下断裂力学行为的评价方法。.本项目拟开展以下三方面研究工作：1）通过建立高效求解强瞬态热载荷下功能梯度材料断裂参数的模型，提取裂纹尖端瞬态综合断裂参数，考虑弛豫效应和惯性效应；2）通过建立含混合型裂纹一般属性功能梯度材料热冲击阻力的模型，基于强度-断裂理论获得临界失效温度，考虑裂纹类型和材料属性分布的影响； 3）探索功能梯度材料热冲击断裂实验研究，测试其材料参数和断裂参数并进行验证。本项目的研究可以深入地认识功能梯度材料热断裂失效机理，对功能梯度材料结构的设计、评价和工程应用具有重要意义。

功能梯度材料是一种典型的复合材料主要应用于燃气轮机发动机的散热系统和航天器的主体结构。在强瞬态热冲击环境下，功能梯度材料中过大压应力和拉应力，可能导致多个内部裂纹（或表面裂纹）。因此，断裂失效是功能梯度材料在强瞬态热载荷下的典型失效模式之一，这推动了本项目对强瞬态热载荷下功能梯度材料断裂失效行为的研究。.在本项目中，基于双曲型热传导理论，在强瞬态热载荷下建立了含混合模型裂纹功能梯度材料瞬态热断裂参数的求解模型。围绕强瞬态热载荷下断裂参数的提取、热冲击裂纹扩展规律分析、热冲击阻力模型的建立，取得了如下研究成果：.1）引入了热传波速度的概念，并基于双曲线热传导理论，获得了含混合模型裂纹功能梯度材料的强瞬态温度场。然后，采用修正的瞬态相互作用能量积分法，求解了混合型裂纹的瞬态热应力强度因子。.2）为了在强瞬态热载荷作用下研究功能梯度材料的热冲击裂纹扩展问题，采用最大周向应力准则，计算了功能梯度材料中瞬态等效热应力强度因子和裂纹尖端扩展角。分析了在强瞬态热载荷下功能梯度涂层结构热冲击裂纹扩展规律。.3）通过最大应力准则、断裂准则和最大周应力准则，建立了含混合型裂纹一般属性功能梯度材料的热冲击阻力模型。讨论了功能梯度材料属性分布模式和裂纹模式对热冲击阻力的影响。.这些研究为功能梯度材料的断裂行为评价提供了理论指导，对此类材料的设计和抗热冲击性评估具有重要意义。.