2025年氧化铝陶瓷降温过程中残余应力形成的计算机仿真分析VIP专享VIP免费

氧化铝陶瓷降温过程中残存应力形成的计算机仿真分析作者：郭文飞郑兴益薛志岗伦文山周瑞来源：《江苏陶瓷》第05期摘要本文采用ANSYS软件，对大尺寸氧化铝陶瓷原板烧成降温过程中形成的残存应力进行仿真分析。通过分析得到，陶瓷残存应力的形成重要是由于烧成后高温蠕变产生的应力松弛造成的。在高温段存在较大的温度梯度和热应力，进而造成蠕变发生，引发应力松弛。随着温度减少，蠕变停止，应力随温度梯度减小而增大，当降到室温时，温度梯度消失，应力被保存下来。在沿径向和垂直于径向存在较大的残存应力。径向方向残存应力且从中心（50.5MP）向外衰减（0.235MP）；垂直于径向方向从中心（50.5MP）向外衰减（-101MP）。核心词ANSYS；残存应力；高温蠕变；应力松弛0前言大尺寸构造陶瓷由于含有较大致积模量，成型、烧成和加工较为困难，在后解决过程中容易出现开裂的问题。常见的氧化铝圆板在烧成、加工以及库存的过程中易发生开裂，这些开裂以中心裂纹扩展的形式出现或以绕过中心的环形裂纹出现，用烧成缺点和热应力理论很难解释这些开裂状况。本文采用ANSYS软件，对降温过程进行热应力分析，并考虑氧化铝高温蠕变造成的应力松弛，引入隐性蠕变模型对整个降温过程应力的形成进行计算分析。通过模拟降温制度对残存应力的影响，得出：大尺寸氧化铝板在高温段由于蠕变造成应力松弛，使得圆板内部存在温度梯度而没有热应力伴生；降温完毕后温度梯度消失，松弛的应力发生反转，造成残存应力的出现。残存应力沿径向方向重要为拉应力，且中心部位达成最大为50.5MP；残存应力垂直于径向方向分布复杂，体现为外部为压应力（-101MP），内部为拉应力（50.5MP）。1ANSYS分析模型建立1.1计算原理ANSYS软件含有优秀的传热和构造分析功效，能够通过间接的热分析-构造分析建立热应力分析模型，也能够通过直接耦合的构造-传热建立分析模型。构造-传热耦合模型含有较高的计算精度，本文采用耦合分析建立氧化铝降温过程中应力的形成过程。ANSYS对热应力的计算有限元计算，计算公式为（1）：对于氧化铝陶瓷采用EULER向后积分法求解蠕变，由于陶瓷降温段时间较短，本文采用时间强化的隐式蠕变模型求解，计算公式为（2）：1.2材料参数测试与设立分析基于非线性有限元计算，涉及材料非线性和几何非线性，需要对材料不同温度下的材料参数进行测试与设立。材料通过实验测试成果见表1，其中弹性模量和泊松比采用hageim测试数据。蠕变测试采用国标GB/T5073-，温度1773K，压力0.2MP，测试数据见图1。将蠕变成果代入到公式（2）中进行非线性拟合，得到方程y=A×00B×x（C+1）×exp（-D/1773）/（C+1）+E×00F×x×exp（-G/1773），其中常数A～G为1.63×10-6、1.15736、-0.26779、20149.93951、-1.09211×106、-86765.99243、1.82934×109为模拟常数，以此作为蠕变模型（2）式中C1～C7的参数值。为提高计算精度，采用平面旋转对称模型替代圆板，设立平面尺寸为0.18×0.02m（半径0.18m，厚度0.02m），传热分析建立在天然气梭式窑温度场内，为提高计算精度，对于单个板无视辐射和热传导散热对分析的影响，只考虑对流换热的影响，对流换热系数（受限弱对流换热）设定为固定值10W/（m2·k）。梭式窑降温曲线采用方程拟合，见方程（3）。T=1983+5652/（1+（t/19076）0.495）（3）2计算成果与分析2.1降温过程中应力的形成与分析在快速降温阶段，不考虑蠕变的影响，在氧化铝圆板径向方向出现较大的温度梯度见图2，将圆板构造分析与温度分析进行耦累计算见图3。这种热应力为瞬态热应力，随着温度梯度的减少而逐步减小。对于工业大尺寸陶瓷的烧结，烧成温度远高于蠕变起始温度，在快速降温阶段需考虑蠕变对温度场和应力场的影响。将蠕变与热应力进行高温段耦合分析，见图4。由图4可见，考虑蠕变作用时，在时间区间0～500min（温度区间1983～1500K），边沿部位沿径向方向没有出现随温度梯度增大的热应力。阐明由温度梯度造成的热应力在高温蠕变作用下形成松弛，体现为圆板边沿部位应力减少或消失。2.2残存应力的形成图4和图5为降温过程中中心部位和边沿部位的应力随时间变化，在匀速降温早期，中心与边沿存在较大的温度梯...