铁硼基复合材料热应力的数值模拟

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1、河北工业大学硕士学位论文铁硼基复合材料热应力的数值模拟摘要铁硼合金具有良好的热传导性能、耐高温熔锌腐蚀性能，但是力学性能较差，用铁硼合金制作的内加热器外套管在加热液锌的过程中易发生断裂。本文针对该问题，从材料热应力的角度入手，运用弹性力学、材料力学以及复合材料力学知识，通过有限元方法从理论上模拟了铁硼合金加入纤维前后热应力的分布情况。外套管在浇铸成型冷却至室温的过程中，以及加热器加热液锌的过程中，在外套管中都产生热应力，尤其是加热液锌时，外套管中的热应力值较大。改变壁厚可以改变套管中热应力的分布情况，另外，材料性能参数对铁硼合金热应力的影响也很显著。加入纤维后形成铁硼基复

2、合材料，此复合材料制作外套管加热液锌时热应力的分布发生了变化，力学性能较铁硼合金有了一定的改善。模拟结果表明，外套管内外壁温度差是产生热应力的主要原因。壁厚对外套管的热应力影响较大，热应力的大小随着套管壁厚增加而增大，而提高材料的热导率、降低材料的热膨胀系数和弹性模量都可以减小套管中热应力的大小。加入纤维后，形成纤维增韧铁硼基复合材料，此复合材料热应力的分布发生了变化，随着纤维体积分数的增大，在套管外壁处的热应力由拉应力转变为压应力，而且随着纤维和套管轴向夹角的变化，套管中环向热应力和轴向热应力的分布都发生变化，与铁硼合金相比，纤维增韧铁硼基复合材料的力学性能大大改善，从

3、而达到增韧铁硼合金的效果。本文通过数值模拟技术，大大降低了实际试验成本，为纤维增韧铁硼基复合材料的设计提供了一定的理论指导。关键词：铁硼合金，纤维增韧铁硼基复合材料，热应力，数值模拟，有限元i铁硼基复合材料热应力的数值模拟NUMERICALSIMULATIONOFTHERMALSTRESSINFERROBORONMATRIXCOMPOSITESABSTRACTFe-Balloyhavegoodthermalconductivityandwellresistantcorrosioninliquidzinc.Becauseofitsbadmechanicalproperty,

4、theouterpipemadebyFe-Balloyispronetofractureinliquidzinc.Inthispaper,elasticmechanics,materialmechanicsandtheelastic-plasticfiniteelementnumericalsimulationwasusedtostudythethermalstressdistributionofFe-BalloyandfiberreinforcedtheFe-Balloy.GreatthermalstresstookplaceintheouterpipemadeIron

5、-boronduringtheprocessofcoolingtoroomtemperatureafteritscastingandconfectioning,aswellasintheactivetimeoftheheaterjacket,thatis,theprocessofheatingzinc.Whatwasworse,thethermalstressofthejacketwasevenlarger.Thermalstressdistributioncanbemodifiedbyvarythicknessofouterpipe.Inaddition,thepara

6、metersofFe-Balloyalsohavesignificantlyeffectofitsthermalstressdistribution,suchasthermalconductivity,coefficientofthermalexpansionandYoung’smodulus.Withtheadditionofthefiber,itwilloccurthatthethermalstressdistributionofouterpipemadethefiberreinforcedFe-Balloycomposite.Thecompositehavegood

7、mechanicalpropertycomparedwithFe-Balloyallay.Theresultsshowedthat:thetemperaturedifferencebetweentheinnerandouterjacketwasthemaincauseofthermalstress,andthethermalstresswasvariedwithdifferentthicknessofouterpipe.Thevalueofthermalstresswouldascentwiththeincrementofth