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陶瓷微球填充型热障涂层的隔热分析与优化

作　者: 吴正华
导　师: 徐中
学　校: 大连理工大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 陶瓷微球热障涂层隔热遗传优化
分类号: TB304
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

热障涂层以其优良的抗高温氧化和抗热腐蚀性能,可以有效降低基体服役温度,对基体起到保护作用,因而得到越来越广泛的应用。目前经济发展对节能降耗、提高能源利用率的呼声日益高涨,因此对热障涂层隔热性能以及隔热效率的研究具有重要的现实意义。本文以陶瓷微球型热障涂层为研究对象,进行涂层的隔热性能分析与优化研究。研究的主要内容如下:该文首先应用ANSYS分析了陶瓷微球传热模型的特点,得出陶瓷微球显著改变热流方向且热流在陶瓷微球内的流动比外部弱。接着分析了陶瓷微球的尺寸及填充率对隔热性能的影响,随球径、填充率以及球壁厚度增大,陶瓷微球对隔热能力的影响变弱。随后建立了陶瓷微球填充涂层的有效导热系数计算式,并把计算值和傅立叶定律计算值作了比较,两者相差不大,有效导热系数计算式是可行的。然后应用传热学理论分别建立了圆筒结构和平板结构陶瓷微球型热障涂层的温度场的数学模型,并进行有限元数值模拟,比较相同条件下界面处温度的解析解和有限元解,温度变化趋势基本一致;分析温度场发现涂层的中间层在隔热中起主要作用。接着建立了圆筒结构和平板结构的隔热效果数学模型,为优化设计做准备。最后,根据分析结果和数学模型,建立了圆筒结构和平板结构陶瓷微球型涂层的优化设计模型,以隔热效果和隔热效率为目标函数,以陶瓷微球的壁厚半径比、陶瓷微球的填充率以及涂层厚度为设计变量,在变量约束下,运用遗传算法优化方法对陶瓷微球型热障涂层进行了优化设计。比较优化前后结果发现,当工作温度较低时改善有限,但在工作温度较高时,改善幅度较大,从而说明通过优化陶瓷微球填充型热障涂层能提高涂层的隔热能力。本文运用传热学理论和有限元分析软件ANSYS,分析了陶瓷微球的传热特点以及陶瓷微球形状尺寸和涂层结构尺寸对隔热效果的影响,分别建立圆筒结构和平板结构的优化设计模型,运用遗传算法和MATLAB进行了优化,得到较合适的参数,获得了一些具有工程应用价值的结论。

全文目录

摘要  4-5
1 绪论  5-12
  1.1 课题的研究背景  5-6
  1.2 陶瓷微球隔热研究现状  6-7
  1.3 陶瓷热障涂层的国内外优化研究现状  7-8
  1.4 遗传算法的应用研究综述  8-10
  1.5 本课题的意义和主要研究内容  10-12
2 陶瓷热障涂层分析的理论基础  12-16
  2.1 传热学理论  12-14
  2.2 遗传算法简介  14-15
  2.3 本章小结  15-16
3 陶瓷微球隔热分析  16-34
  3.1 陶瓷微球隔热原理  16-17
  3.2 陶瓷微球传热特点分析  17-21
  3.3 陶瓷微球对涂层隔热效果的影响  21-30
  3.4 陶瓷微球填充型热障涂层的等效导热系数  30-33
  3.5 本章小结  33-34
4 圆筒结构陶瓷微球热障涂层的分析与优化  34-50
  4.1 圆筒结构陶瓷微球热障涂层的物理模型  34-35
  4.2 温度场分析  35-41
  4.3 隔热效果的数学模型  41-43
  4.4 优化设计  43-49
  4.5 本章小结  49-50
5 平板结构陶瓷微球热障涂层分析与优化  50-62
  5.1 平板结构陶瓷微球热障涂层的物理模型  50-51
  5.2 平板结构陶瓷微球热障涂层温度场分析  51-56
  5.3 隔热效果分析  56-57
  5.4 优化设计  57-61
  5.5 本章小结  61-62
结论  62-63
参考文献  63-66
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  66-67
致谢  67-68

陶瓷微球填充型热障涂层的隔热分析与优化

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