風沙粒子沖擊鋼結構論文范文

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1風沙粒子沖擊鋼結構涂層應力理論分析

沙粒子沖擊鋼結構涂層的問題可通過接觸力學中的經典赫茲接觸理論來分析。運用經典赫茲接觸理論需滿足以下條件：①勻質材料；②小應變；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。風沙粒子沖擊鋼結構涂層后，根據赫茲理論給出接觸區與接觸中心距離為r的點的法向壓力分布。

2風沙粒子沖擊鋼結構涂層應力FEM數值模擬與理論分析

2.1風沙粒子沖擊后涂層表面接觸區應力模型參數在2.1節已給出，風沙粒子沖擊涂層后接觸區半徑及接觸區徑向應力理論值可由式(2)和式(5)求出。有限元模擬加載圓半徑為40μm，理論計算結果為46.3μm，將加載圓半徑均分為13個點(將點與接觸中心距離進行編號，如圖3所示)，圖4所示為風沙粒子沖擊涂層后接觸區徑向應力FEM解。由圖4可以看出在加載圓內部，徑向應力為壓應力，最大壓應力產生在接觸中心，該壓應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，壓應力的減小速度加快。圖5為涂層受沖擊后其表面接觸區徑向應力理論解與FEM的結果對比。由圖5可以看出：最大壓應力都產生在接觸中心，且最大壓應力的理論值和模擬值分別為5.1MPa和6.4MPa；在圓邊界40μm處拉應力出現模擬值最大值，約為0.6MPa，理論分析解的最大值則為0.8MPa。該接觸區表面的最大拉應力對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)。在設計鋼結構涂層時，應該盡量選用受拉能力大于該最值的材料。如果選用材料的強度不夠，在此拉應力最大值的環狀區域極易受到拉力撕裂的損傷，且破壞形式為環狀撕裂破壞。

2.2風沙粒子沖擊后涂層內部沿Z軸的應力如圖1所示，模擬風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力和平行于界面方向的切應力影響，而垂直于界面方向的應力即為沿Z軸方向的應力。沿Z軸方向的應力理論值可由式(9)求得，圖6為沖擊后涂層內部沿Z方向的應力FEM解。由圖6可見：沖擊碰撞后涂層內部產生了應力波，這些應力波由以接觸中心為球心的很多個半球形組成，其最大值約為7MPa。該數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向應力變化曲線非常平滑，即材料對Z向應力的承受力相對于表面接觸區應力來說是比較好的。

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

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

2.5受風沙粒子沖擊后涂層與基體界面處的剪應力涂層與基體界面上剪應力的研究對于涂層基體的剪切破壞規律具有重要指導意義。界面上的剪應力以撞擊點正下方為界，左右基本對稱。界面上剪應力的較大值分布在圖11中空白處，即應力等值線A及其內部空白區域，空白處剪應力較大值均勻分布在撞擊點正下方附近；從碰撞接觸中心到應力最大處這段距離中可以看出，剪應力的變化非常劇烈，在此易發生破壞。圖12為涂層基體界面處剪應力的FEM解與理論解，從圖中可以看出：剪應力從撞擊點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，剪應力達到最大值，理論值為0.7MPa，模擬值為0.8MPa，這是涂層與基體最容易發生破壞和損傷的部分。從圖12可以看出在r/h為0~0.5時剪應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重的撕裂破壞。

3結論

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

作者：郝贠洪朱敏俠靳鐵順宿廷單位：內蒙古工業大學土木工程學院