Academic Centrehttps://doi.org/10.22364/mkm.58.6.05
И. Ю. Смолин, В. А. Зимина, С. П. Буякова
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, Россия
Оценка температурных остаточных напряжений в слоистом керамическом композите
Полный текст: PDF (RUS)
Впервые выполнен анализ распределения температурных напряжений, возникших в слоистом керамическом диске ZrB2— SiC—ZrO2 при его изготовлении, с применением численных и аналитических методов. Численное моделирование реализовано методом конечных элементов с учетом зависимости свойств компонентов композита от температуры. Распределение остаточных напряжений поперек слоев имеет пилообразный характер, в котором напряжения принимают как отрицательные, так и положительные значения. Предложено новое аналитическое решение, основанное на упрощенной одномерной постановке задачи для центральной части диска. Это решение показало, что уровень остаточных напряжений определяется не только значениями коэффициентов термического расширения и двухосных модулей упругости соединенных материалов, но также толщиной и расположением слоев. Результаты полученного аналитического решения хорошо согласуются с результатами численного моделирования. Показано, что для оценок остаточных напряжений в слоистом композите в предположении, что свойства составляющих композита не зависят от температуры, целесообразнее брать термомеханические характеристики при высокой температуре, а не комнатной или средней температуре. Приведены результаты оценки влияния пористости на значения остаточных напряжений в слоистом керамическом композите. Установлено, что учет пористости приводит к уменьшению остаточных напряжений только в тех слоях, в которых она введена. Результаты исследования представляют основу для выполнения анализа остаточных напряжений для слоистых композитов разного состава и конкретных инженерных приложений.
Ключевые слова: напряжения остаточные, керамика высокотемпературная, композит слоистый, моделирование численное, решение аналитическое
Поступила в редакцию 26.04.2022
Окончательный вариант поступил 27.07.2022
I. Yu. Smolin, V. A. Zimina, and S. P. Buyakova
Estimation of residual thermal stresses in a layered ceramic composite
For the first time, an analysis of the thermal stress distribution arising in a layered ZrB2–SiC–ZrO2 ceramic disk during its manufacturing was performed using numerical and analytical methods. The numerical modeling is implemented by the finiteelement method considering the temperature dependence of properties of composite components. The residual stress distribution across the layers has a sawtooth character, in which stresses take both negative and positive values. A new analytical solution based on a simplified onedimensional formulation of the problem for the central part of the disk is proposed. This solution shows that the residual stresses are determined not only by the coefficients of thermal expansion and by the biaxial elastic modulus of the connected materials, but also by the thickness and location of layers. The results of the analytical solution obtained were in a good agreement with outcomes of the numerical modeling. It is shown that, to estimate the residual stress in a laminated composite, with assumption that the properties of composite components are temperature-independent, it is appropriate to use the thermomechanical characteristics corresponding to a high temperature rather than a room or average ones. The effect of porosity on the residual stress in a laminated ceramic composite was studied. It is found that the consideration of porosity decreased the residual stresses only in the layers that are made porous. Results of the study provide a basis for analyzing residual stresses in laminated composites of different compositions and in specific engineering applications.
Keywords: residual stresses, high-temperature ceramics, layered composite, numerical modeling, analytical solution
Received Apr. 26, 2022 (July 27, 2022)
Перевод статьи на английском языке: Springer