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第1章 等离子喷涂及热障涂层数值模拟发展现状1

1.1 等离子喷涂数值模拟概述2

1.1.1 等离子体射流模型2

1.1.2 等离子体与颗粒的相互作用模型3

1.1.3 涂层的沉积模型5

1.1.4 颗粒与基体的相互作用模型5

1.2 热障涂层性能预测研究现状7

1.2.1 涂层有限元模型构建7

1.2.2 涂层基本属性计算9

1.2.3 涂层结合强度预测11

1.2.4 涂层热循环失效机理分析11

1.2.5 涂层热循环寿命预测14

参考文献15

第2章 等离子喷枪出口关键参数预测方法及实例分析19

2.1 数学模型19

2.1.1 能量守恒方程与输入功率20

2.1.2 冷却水带走的热功率22

2.1.3 气体的受热功率22

2.1.4 气体电离功率23

2.1.5 喷枪出口处基本参量的确定24

2.2 工程应用实例分析25

2.2.1 基本试验参数25

2.2.2 电流强度的影响25

2.2.3 工质气体的影响26

2.2.4 电流强度与气体流率的综合影响30

2.2.5 喷枪出口处温度与速度的分布31

参考文献32

第3章 等离子体二维射流场数值模拟及实例分析33

3.1 数学模型33

3.1.1 连续性方程33

3.1.2 动量守恒方程34

3.1.3 能量守恒方程34

3.1.4 k-ε双方程35

3.1.5 化学反应方程35

3.2 基本物性参数与输运系数36

3.3 工程应用实例分析38

3.3.1 几何模型与边界条件38

3.3.2 典型工况下射流温度场与速度场39

3.3.3 典型工况下射流场内的组分分布41

3.3.4 电流强度对射流场的影响43

3.3.5 Ar流率的影响46

3.3.6 He流率的影响48

参考文献50

第4章 等离子体二维射流场中飞行颗粒数值模拟及实例分析53

4.1 数学模型54

4.1.1 颗粒的受力平衡方程54

4.1.2 热量交换方程54

4.2 飞行颗粒关键参量试验验证方法55

4.3 工程应用实例分析56

4.3.1 几何模型与边界条件56

4.3.2 颗粒的飞行轨迹57

4.3.3 固定轴向位置颗粒直径、速度与温度的分布状况58

4.3.4 颗粒的速度变化历程62

4.3.5 颗粒的表面温度变化历程64

4.3.6 电流强度对颗粒的影响66

4.3.7 Ar流率对颗粒的影响68

4.3.8 He流率对颗粒的影响70

4.3.9 颗粒在飞行过程中的熔化状态72

参考文献77

第5章 等离子喷涂三维场数值模拟及实例分析79

5.1 数学模型79

5.1.1 连续性方程80

5.1.2 动量守恒方程80

5.1.3 能量守恒方程80

5.1.4 k-ε双方程81

5.1.5 化学反应方程81

5.1.6 射流与基体相互作用方程82

5.1.7 颗粒轨道模型82

5.1.8 等离子体－颗粒热量交换方程83

5.2 工程应用实例84

5.2.1 几何模型与边界条件84

5.2.2 无基体三维空间射流场85

5.2.3 有基体三维空间射流场87

5.2.4 三维空间颗粒群89

参考文献90

第6章 等离子喷涂涂层的数值模拟93

6.1 计算模型及计算过程94

6.1.1 蒙特卡洛随机模型介绍94

6.1.2 随机操作过程94

6.1.3 网格的划分95

6.2 模拟涂层三维形貌及其生长过程96

6.2.1 涂层三维形貌计算过程及表征参量96

6.2.2 涂层密度的计算98

6.2.3 涂层生长时间的确定98

6.3 模拟涂层的二维组分分布98

6.4 随机模型的影响因素99

6.4.1 材料组分的影响100

6.4.2 随机操作数的影响101

6.4.3 初始输入颗粒数的影响102

6.5 工程应用实例103

6.5.1 涂层的三维形貌103

6.5.2 涂层的二维组分分布110

参考文献111

第7章 颗粒与基体相互作用过程数值模拟及实例分析113

7.1 数学模型114

7.2 颗粒倾斜入射的数值模拟参数定义114

7.3 计算方法115

7.4 工程应用实例115

7.4.1 熔融颗粒垂直碰撞瞬间变形历程分析115

7.4.2 熔融颗粒倾斜入射过程的数值模拟118

参考文献121

第8章 基于涂层显微组织的有限元模型生成方法123

8.1 涂层显微组织图像的数字图像处理123

8.1.1 图像数字化124

8.1.2 阈值分割处理125

8.1.3 有限元网格模型的生成126

8.2 基于Micro-CT的涂层三维模型的构建128

8.2.1 Micro-CT测试系统128

8.2.2 三维微观组织有限元模型的生成129

参考文献131

第9章 缺陷及片层粒子间界面对涂层基本属性的影响133

9.1 缺陷及片层粒子间界面对涂层基本属性影响的数学模型133

9.1.1 缺陷及片层粒子间界面对涂层弹性模量影响的数学模型构建133

9.1.2 缺陷及片层粒子间界面对涂层热导率影响的数学模型构建136

9.2 缺陷对涂层基本属性影响系数的确定137

9.2.1 缺陷对涂层弹性模量影响系数的确定139

9.2.2 缺陷对涂层热导率影响系数的确定140

9.2.3 缺陷对涂层弹性模量及热导率的影响比较141

9.3 片层粒子间界面对涂层基本属性影响系数的确定141

9.3.1 涂层基本属性的试验测定142

9.3.2 片层粒子间界面对涂层基本属性影响系数的计算142

9.4 缺陷及片层粒子间界面对涂层基本属性的影响分析143

参考文献144

第10章 涂层拉伸结合强度预测方法及实例分析145

10.1 涂层拉伸结合强度的试验测试145

10.1.1 涂层拉伸试验145

10.1.2 结合强度试验值Weibull统计分析145

10.1.3 涂层拉伸失效位置146

10.2 涂层结合强度预测的有限元方法146

10.3 解析法预测涂层拉伸结合强度147

10.3.1 解析模型147

10.3.2 结合强度解析解Weibull统计分析149

10.3.3 涂层结合强度预测的解析方法150

10.4 涂层拉伸结合强度预测有限元法与解析法的比较151

10.5 工程应用实例1151

10.5.1 有限元模型、材料性能参数与载荷施加152

10.5.2 拉伸失效裂纹扩展模拟153

10.5.3 涂层典型区域拉伸结合强度计算155

10.5.4 结合强度有限元计算值Weibull统计分析156

10.6 工程应用实例2158

10.6.1 基本参数及三维有限元模型的构建158

10.6.2 施加载荷及边界条件158

10.6.3 模拟结果与试验结果的对比160

10.6.4 涂层失效过程及机理分析161

参考文献164

第11章 涂层热循环寿命预测方法及实例分析165

11.1 涂层热循环试验165

11.1.1 试验条件165

11.1.2 TGO生长动力学曲线165

11.1.3 涂层热循环试验寿命167

11.2 涂层热循环应力计算有限元方法168

11.3 多因素耦合计算方法171

11.4 工程应用实例分析172

11.4.1 几何模型及边界条件172

11.4.2 陶瓷层高温阶段的应力174

11.4.3 陶瓷层室温阶段的应力176

11.4.4 陶瓷层热循环应力影响因素分析177

参考文献180