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本文以中间夹功能梯度材料与上下层为Ti-6Al-4V和ZrO2材料组成的功能梯度复合板作为研究模型。在空间域内,采用变分有限元法,在时间域内,采用有限差分法,而温度场模式采用线性插值函数,借此来推导出温度场有限元法基本方程。据此方程,编写适用于该结构实用计算的程序,通过数值计算和分析,定量研究了夹FGM金属/陶瓷复合板瞬态变物性温度场分布规律,主要研究处在第一类加热、冷却和第三类对流换热温度边界下,边界对流换热系数、梯度层组分、孔隙率和厚度等因数对该复合板一维瞬态温度场分布的影响规律。
主要分析结果表明:
(1)随着梯度层厚度的增加,曲线越来越缓和。变物性时梯度层厚度的增加对冷却瞬态温度具有缓和作用,梯度层越厚对冷却瞬态温度变化越有利。
(2)随着孔隙率系数的增加,金属侧瞬态温度下降,而陶瓷层瞬态温度升高。随着孔隙率系数的增加,瞬态温度场的峰值越来越大。因此,孔隙率变化对夹FGM复合板变物性冷却瞬态热传导有明显影响。
(3)组分的分布形状系数M对夹FGM复合板常物性冷却瞬态温度场有明显影响,且组分的分布形状系数M越小对温度的缓和作用越大。将常物性与变物性进行比较,在同一时刻常物性比变物性时温度低,且峰值低,温度曲线更加缓和,这是常物性和变物性的差异所致。
(4)对流换热变物性瞬态温度随着时间的增加而升高,遵循陶瓷层瞬态温度比金属侧高的规律,随着对流换热系数的增加,金属侧瞬态温度降低,陶瓷侧瞬态温度升高。