耐磨耐蚀层状复合管的制备及其冲蚀模拟分析

论文摘要

本文分两部分。第一部分主要讨论了耐磨复合管的制备、表征及有限元分析,在这一部分中,采用自蔓延高温合成和离心铸造相结合的工艺,制备了高耐磨陶瓷内衬复合管,对其反应原料和陶瓷内衬层制品的物相组成、物理性能等方面做了表征,并采用有限元方法对其制备过程中的管材残余应力进行了模拟分析;在此基础上,通过反应浸渍拼混树脂制备了三元复合管,对服役工况下不同组元材料所引起的界面应力进行了数值模拟。此外,设计并制造了冲蚀磨损试验机,对陶瓷内衬管和三元复合管的耐冲蚀性能进行了测试和评估。第二部分侧重于材料冲蚀磨损行为的数值模拟分析,主要讨论了冲蚀磨损的影响因素和韧性、脆性材料冲蚀失效的主要机制,提出了一个全新的通用有限元冲蚀模型,分别以钛合金和陶瓷材料为例进行了仿真模拟,总结了数值模拟技术在材料磨损失效领域的应用,并且,首次将无网格算法与有限元法相耦合的方法应用于磨损失效领域,建立了高速冲蚀磨损的耦合模型,改善了大变形带来网格畸变的情况,并使用该模型对工程材料及带有有机涂层的材料的沖蚀行为进行了讨论。本文具体研究内容及结果如下:1.高耐磨陶瓷内衬复合管的制备采用自蔓延高温合成与离心铸造相结合的工艺,研制了夹具式SHS-离心机,成功地在钢管内壁烧结出冶金结合的陶瓷内衬层,并对其反应原料及陶瓷制品采用DSC、XRD、EDS、SEM和TEM等方法进行了表征分析,表明新研制的陶瓷内衬复合管具有优异的耐磨耐蚀性能。2.陶瓷内衬复合管的残余应力模拟分析模拟分析了陶瓷内衬复合管在冷却凝固过程中的温度分布和变化,从而为工艺参数的选择和管道界面结构分析提供了基础。利用ANSYS软件的瞬态热分析功能和热-结构耦合功能,数值上模拟了复合管的温度场分布及残余热应力,分析了SHS反应层厚度对陶瓷内衬复合管性能的影响。数值分析结果表明,合理调整SHS反应层的厚度,可使界面残余热应力变小,从而提高陶瓷内衬复合管的安全可靠性。3.三元复合管的制备及组元材料的选择在陶瓷内衬复合管的基础上开发了内壁具有树脂层的三元复合管。该管道具有一定的耐磨性以及很高的防腐蚀效果,可用于腐蚀和磨损交互作用下的复杂工况。采用有限元法模拟了其在服役工况下受均匀内压时的应力分布情况,并研究了不同弹性模量和泊松比的陶瓷材料对三元复合管界面应力的影响,合理调整中间层陶瓷材料的弹性模量和泊松比,会减少界面处的环向应力,从而提高三元复合管的安全可靠性。4.层状复合管的冲蚀磨损试验针对管道服役工况下一种常见的冲蚀磨损失效形式,设计并制造了冲蚀试验机,并在此试验机上对陶瓷内衬管及三元复合管进行了冲蚀试验。结果表明:衬里层刚玉材料和拼混树脂的冲蚀行为均表现出典型的脆性冲蚀行为,在冲蚀角为90°左右受损最严重;经过改性纳米粒子的填充后,拼混树脂表现出优良的耐冲蚀磨损性能。5.冲蚀磨损的影响因素和机理研究从影响冲蚀磨损行为的因素入手,对材料的冲蚀磨损规律进行了深入研究。着重讨论了冲蚀角、冲蚀物速度、冲蚀物颗粒尺寸对冲蚀行为的影响,并从冲蚀磨损的韧性模式和脆性模式角度深入探讨了材料的摩擦磨损机理。同时对数值模拟方法在材料磨损领域的趋势进行了技术展望。6.冲蚀磨损的有限元模型建立了冲蚀磨损的显式动力学模型,分别使用不同的材料本构方程讨论了韧性材料和脆性材料在冲蚀磨损作用下的行为。与试验研究相似,采用有限元模型对冲蚀速度、冲蚀角、冲蚀物尺寸等因素对冲蚀率的影响分别给出了模拟结果。并通过计算得出了冲蚀过程中的能量转化情况与材料表面层的残余应力,有限元模拟的结果验证了已有的冲蚀机理。7.冲蚀磨损的耦合计算模型采用光滑质点流体动力学和有限单元相耦合的数值模型,解决了高速冲击带来的有限单元网格扭曲问题,并模拟分析了韧性材料,以及带有有机涂层的金属的高速冲蚀磨损行为,讨论了垂直冲击和斜角冲击时的能量转化和界面剪切应力情况,同时给出了在两种情况下涂层的分层机理。这对于高速冲蚀磨损机理的研究以及涂层分层脱落机理的研究具有一定的指导意义。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 材料磨损特性和耐磨管材评述
• 1.2.1 材料的各种磨损形式和磨损特性
• 1.2.2 耐磨管材评述
• 1.3 耐磨陶瓷内衬复合管的制备工艺
• 1.3.1 热喷涂法
• 1.3.2 自蔓延高温合成法
• 1.4 材料冲蚀磨损的研究进展
• 1.4.1 冲蚀磨损的理论模型
• 1.4.2 冲蚀磨损的数值计算模型
• 1.5 本文研究内容
• 第二章 陶瓷内衬复合管的制备及表征
• 2.1 引言
• 2.2 陶瓷内衬复合管的制备
• 2.2.1 陶瓷内衬复合管的制备方法
• 2.2.2 陶瓷内衬复合管的反应原料
• 2.2.3 烧结过程
• 2.2.4 成型设备
• 2.3 陶瓷内衬复合管制品的表征
• 2.3.1 陶瓷层的物相组成
• 2.3.2 陶瓷层的显微形貌
• 2.3.3 陶瓷内衬复合管物理性能
• 2.4 复合管道残余应力的有限元分析
• 2.4.1 模型的建立
• 2.4.2 模拟结果与分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 三元复合管的制备及界面应力
• 3.1 引言
• 3.2 三元复合管的制备及应用
• 3.2.1 基体树脂的制备流程
• 3.2.2 拼混树脂的反应浸渍
• 3.2.3 三元复合管的应用
• 3.3 组元材料的不同对三元复合管道性能的影响
• 3.3.1 有限元模型的建立及相关参数
• 3.3.2 模拟结果与分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 复合管冲蚀磨损试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验室试验方案
• 4.2.1 冲蚀试验机
• 4.2.2 冲蚀物颗粒与冲蚀试样的制备
• 4.2.3 冲蚀试验
• 4.2.4 试验数据的整理
• 4.3 试验结果与分析
• 4.3.1 陶瓷内衬复合管的冲蚀磨损
• 4.3.2 内层树脂材料的冲蚀磨损
• 4.4 本章小结
• 第五章 冲蚀磨损的影响因素和机理研究
• 5.1 引言
• 5.2 冲蚀角对试样的影响
• 5.3 冲蚀物速度对试样的影响
• 5.4 冲蚀物颗粒尺寸对试样的影响
• 5.5 冲蚀磨损的机理研究
• 5.6 材料磨损失效的数值模拟技术及其应用前景
• 5.6.1 韧性金属材料
• 5.6.2 脆性陶瓷材料
• 5.6.3 聚合物材料
• 5.6.4 复合材料
• 5.6.5 总结与展望
• 5.7 本章小结
• 第六章 冲蚀磨损的有限元模型
• 6.1 引言
• 6.2 韧性材料的冲蚀模型
• 6.2.1 韧性材料的本构方程
• 6.2.2 韧性材料的失效准则
• 6.2.3 韧性材料的物态方程
• 6.2.4 简化的Johnson-Cook方程
• 6.3 脆性材料的冲蚀模型
• 6.3.1 脆性材料的本构方程
• 6.3.2 脆性材料的失效准则
• 6.3.3 脆性材料的物态方程
• 6.4 有限元模型
• 6.4.1 材料数据
• 6.4.2 显式方程与质量缩放
• 6.4.3 接触算法与接触面的摩擦
• 6.4.4 靶材的有限元网格及边界条件
• 6.4.5 多粒子冲击
• 6.4.6 计算条件
• 6.5 结果与讨论
• 6.5.1 韧性材料的冲蚀磨损
• 6.5.2 脆性材料的冲蚀磨损
• 6.6 本章小结
• 第七章 冲蚀磨损的祸合计算模型
• 7.1 引言
• 7.2 无网格和有限元祸合方法计算冲蚀磨损
• 7.2.1 SPH和有限单元的耦合
• 7.2.2 冲蚀磨损的耦合模型
• 7.2.3 结果和讨论
• 7.3 有机涂层的冲蚀模型
• 7.3.1 模型的建立
• 7.3.2 计算结果与分析
• 7.4 本章小结
• 第八章 结论
• 8.1 结论
• 8.2 本论文的创新点
• 附录I 本文主要符号
• 附录II 本文常用缩写含义
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间完成的论文
• 致谢