本站小編為你精心準(zhǔn)備了風(fēng)沙粒子沖擊鋼結(jié)構(gòu)論文參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

1風(fēng)沙粒子沖擊鋼結(jié)構(gòu)涂層應(yīng)力理論分析

沙粒子沖擊鋼結(jié)構(gòu)涂層的問題可通過接觸力學(xué)中的經(jīng)典赫茲接觸理論來分析。運(yùn)用經(jīng)典赫茲接觸理論需滿足以下條件：①勻質(zhì)材料；②小應(yīng)變；③接觸面尺寸與接觸物體表面曲率半徑相比很小；④表面無摩擦。風(fēng)沙粒子沖擊鋼結(jié)構(gòu)涂層后，根據(jù)赫茲理論給出接觸區(qū)與接觸中心距離為r的點(diǎn)的法向壓力分布。

2風(fēng)沙粒子沖擊鋼結(jié)構(gòu)涂層應(yīng)力FEM數(shù)值模擬與理論分析

2.1風(fēng)沙粒子沖擊后涂層表面接觸區(qū)應(yīng)力模型參數(shù)在2.1節(jié)已給出，風(fēng)沙粒子沖擊涂層后接觸區(qū)半徑及接觸區(qū)徑向應(yīng)力理論值可由式(2)和式(5)求出。有限元模擬加載圓半徑為40μm，理論計(jì)算結(jié)果為46.3μm，將加載圓半徑均分為13個(gè)點(diǎn)(將點(diǎn)與接觸中心距離進(jìn)行編號(hào)，如圖3所示)，圖4所示為風(fēng)沙粒子沖擊涂層后接觸區(qū)徑向應(yīng)力FEM解。由圖4可以看出在加載圓內(nèi)部，徑向應(yīng)力為壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力產(chǎn)生在接觸中心，該壓應(yīng)力限制了涂層材料的徑向受壓能力。隨著離接觸中心距離的增加，壓應(yīng)力的減小速度加快。圖5為涂層受沖擊后其表面接觸區(qū)徑向應(yīng)力理論解與FEM的結(jié)果對(duì)比。由圖5可以看出：最大壓應(yīng)力都產(chǎn)生在接觸中心，且最大壓應(yīng)力的理論值和模擬值分別為5.1MPa和6.4MPa；在圓邊界40μm處拉應(yīng)力出現(xiàn)模擬值最大值，約為0.6MPa，理論分析解的最大值則為0.8MPa。該接觸區(qū)表面的最大拉應(yīng)力對(duì)于涂層材料的受拉性能具有重要的參考意義(涂層材料的受拉性能一般非常弱)。在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)涂層時(shí)，應(yīng)該盡量選用受拉能力大于該最值的材料。如果選用材料的強(qiáng)度不夠，在此拉應(yīng)力最大值的環(huán)狀區(qū)域極易受到拉力撕裂的損傷，且破壞形式為環(huán)狀撕裂破壞。

2.2風(fēng)沙粒子沖擊后涂層內(nèi)部沿Z軸的應(yīng)力如圖1所示，模擬風(fēng)沙粒子垂直沖擊涂層，其界面上主要受到垂直于界面方向的應(yīng)力和平行于界面方向的切應(yīng)力影響，而垂直于界面方向的應(yīng)力即為沿Z軸方向的應(yīng)力。沿Z軸方向的應(yīng)力理論值可由式(9)求得，圖6為沖擊后涂層內(nèi)部沿Z方向的應(yīng)力FEM解。由圖6可見：沖擊碰撞后涂層內(nèi)部產(chǎn)生了應(yīng)力波，這些應(yīng)力波由以接觸中心為球心的很多個(gè)半球形組成，其最大值約為7MPa。該數(shù)值影響著涂層材料的Z向受壓能力。如圖7所示，沿Z軸的Z向應(yīng)力變化曲線非常平滑，即材料對(duì)Z向應(yīng)力的承受力相對(duì)于表面接觸區(qū)應(yīng)力來說是比較好的。

2.3風(fēng)沙粒子沖擊后涂層內(nèi)部的剪應(yīng)力如圖8所示，在平行于界面層的方向，涂層內(nèi)部剪應(yīng)力以Z軸為對(duì)稱軸對(duì)稱分布。應(yīng)力等值線由很多不規(guī)則的類似同心圓組成；同時(shí)，每個(gè)應(yīng)力等值線的間距大小是不同的。這種不規(guī)則的類似同心圓說明在涂層內(nèi)部剪切應(yīng)力的分布非常不規(guī)則，而等值線的間距不同說明應(yīng)力的變化很不均勻，剪切應(yīng)力的變化非常復(fù)雜。剪切應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在碰撞接觸點(diǎn)的左下方和右下方，這兩個(gè)接觸區(qū)域下方切應(yīng)力最大值的點(diǎn)是剪切破壞極易發(fā)生的位置，該涂層剪切承載力限制了對(duì)涂層材料的選擇。在接觸點(diǎn)正下方和剪應(yīng)力最大值位置之間的剪應(yīng)力變化相比其他位置更加劇烈。在這非常短的距離內(nèi)剪應(yīng)力從0增加到最大值2.4MPa，剪應(yīng)力的急劇變化易引起涂層損失破壞。

2.4受風(fēng)沙粒子沖擊后涂層與基體界面處的Z向應(yīng)力圖9和圖10為界面上Z向應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律，由圖可見：界面處Z向應(yīng)力均為壓應(yīng)力，在界面接觸碰撞中心的應(yīng)力場(chǎng)較大；FEM結(jié)果顯示最大Z向應(yīng)力值為3.2MPa，與粒子撞擊涂層時(shí)涂層表面的最大Z向應(yīng)力7MPa相比明顯減小；界面上應(yīng)力較大值分布范圍比風(fēng)沙粒子沖擊涂層時(shí)涂層表面應(yīng)力較大值的分布范圍更廣，其主要原因是碰撞后產(chǎn)生的應(yīng)力波開始擴(kuò)散傳播，界面上的較大應(yīng)力分布到了更廣泛的區(qū)域中。界面上Z向應(yīng)力的分布規(guī)律為：在r/h(r為距Z向應(yīng)力中心的距離，h為涂層厚度)為0~0.4的一段范圍，Z向應(yīng)力基本不變；在r/h為0.4~1的這一段中，Z向應(yīng)力劇烈降到0.5MPa；當(dāng)r/h>1后，Z向應(yīng)力基本保持不變。

2.5受風(fēng)沙粒子沖擊后涂層與基體界面處的剪應(yīng)力涂層與基體界面上剪應(yīng)力的研究對(duì)于涂層基體的剪切破壞規(guī)律具有重要指導(dǎo)意義。界面上的剪應(yīng)力以撞擊點(diǎn)正下方為界，左右基本對(duì)稱。界面上剪應(yīng)力的較大值分布在圖11中空白處，即應(yīng)力等值線A及其內(nèi)部空白區(qū)域，空白處剪應(yīng)力較大值均勻分布在撞擊點(diǎn)正下方附近；從碰撞接觸中心到應(yīng)力最大處這段距離中可以看出，剪應(yīng)力的變化非常劇烈，在此易發(fā)生破壞。圖12為涂層基體界面處剪應(yīng)力的FEM解與理論解，從圖中可以看出：剪應(yīng)力從撞擊點(diǎn)正下方到最大值處的變化較快；從撞擊中心到大約r/h=0.5時(shí)，剪應(yīng)力達(dá)到最大值，理論值為0.7MPa，模擬值為0.8MPa，這是涂層與基體最容易發(fā)生破壞和損傷的部分。從圖12可以看出在r/h為0~0.5時(shí)剪應(yīng)力曲線的斜率非常大。該斜率為剪切加速度，較大的剪切加速度將引起嚴(yán)重的撕裂破壞。

3結(jié)論

1)涂層接觸區(qū)徑向應(yīng)力為壓應(yīng)力，在接觸中心取得最大值；隨著與接觸中心距離的增加，壓應(yīng)力的減小速度加快；在圓邊界40μm處出現(xiàn)拉應(yīng)力最大值。2)涂層內(nèi)部沿Z軸的徑向應(yīng)力變化曲線非常平滑，材料對(duì)Z向應(yīng)力的承受力比對(duì)表面接觸區(qū)徑向應(yīng)力的承受力好。3)涂層內(nèi)部剪應(yīng)力關(guān)于Z軸對(duì)稱分布，應(yīng)力的變化很不均勻；最大值出現(xiàn)在碰撞接觸點(diǎn)左下方和右下方，在這兩個(gè)區(qū)域易發(fā)生破壞。4)在涂層與基體界面處，Z向應(yīng)力在r/h為0~0.4時(shí)的變化較小；在r/h為0.4~1時(shí)，Z向應(yīng)力劇烈減少；當(dāng)r/h>1時(shí)，Z向應(yīng)力基本保持不變。5)涂層與基體界面剪應(yīng)力關(guān)于碰撞點(diǎn)左右基本呈對(duì)稱分布，在r/h為0~0.5時(shí)，界面剪應(yīng)力變化很大，易引起界面撕裂破壞。

作者：郝贠洪朱敏俠靳鐵順?biāo)尥挝唬簝?nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院