流-固-热多工况耦合作用下梯度复合涂层应力分布仿真分析

针对复合涂层的现有仿真方法多基于单一物理场的影响,不能反映多物理场耦合作用等实际工况下的力学性能.以航空发动机附件机匣的典型工况环境为背景,建立描述流-固-热耦合作用下梯度复合涂层各物理参数变化的数学模型,计算涂层不同分布方式下其内部的von Mises应力分布.结果表明,过渡层材料组分的渐变方式对涂层热应变和层内von Mises应力分布有较大影响,以航空发动机附件机匣中某型花键副为例,在施加实际工况下的载荷和温度条件后,温度场引起的热应力较载荷-润滑引起的应力更大,在润滑、热场和载荷的耦合作用下,三种分布方式的涂层最大应力均位于表层,随梯度的增大逐渐向基体扩散;梯度增大的过渡方式在涂层内可以获得最小的最大von Mises应力.在所关注的温度范围内,与梯度减小的过渡方式相比,使用梯度增大的过渡方式可使最大von Mises应力减小14.5％.所建立的仿真方法可模拟近似实际工况,研究结果可用于指导梯度复合涂层的设计和制备.