风沙粒子冲击钢结构论文范文

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1风沙粒子冲击钢结构涂层应力理论分析

沙粒子冲击钢结构涂层的问题可通过接触力学中的经典赫兹接触理论来分析。运用经典赫兹接触理论需满足以下条件：①匀质材料；②小应变；③接触面尺寸与接触物体表面曲率半径相比很小；④表面无摩擦。风沙粒子冲击钢结构涂层后，根据赫兹理论给出接触区与接触中心距离为r的点的法向压力分布。

2风沙粒子冲击钢结构涂层应力FEM数值模拟与理论分析

2.1风沙粒子冲击后涂层表面接触区应力模型参数在2.1节已给出，风沙粒子冲击涂层后接触区半径及接触区径向应力理论值可由式(2)和式(5)求出。有限元模拟加载圆半径为40μm，理论计算结果为46.3μm，将加载圆半径均分为13个点(将点与接触中心距离进行编号，如图3所示)，图4所示为风沙粒子冲击涂层后接触区径向应力FEM解。由图4可以看出在加载圆内部，径向应力为压应力，最大压应力产生在接触中心，该压应力限制了涂层材料的径向受压能力。随着离接触中心距离的增加，压应力的减小速度加快。图5为涂层受冲击后其表面接触区径向应力理论解与FEM的结果对比。由图5可以看出：最大压应力都产生在接触中心，且最大压应力的理论值和模拟值分别为5.1MPa和6.4MPa；在圆边界40μm处拉应力出现模拟值最大值，约为0.6MPa，理论分析解的最大值则为0.8MPa。该接触区表面的最大拉应力对于涂层材料的受拉性能具有重要的参考意义(涂层材料的受拉性能一般非常弱)。在设计钢结构涂层时，应该尽量选用受拉能力大于该最值的材料。如果选用材料的强度不够，在此拉应力最大值的环状区域极易受到拉力撕裂的损伤，且破坏形式为环状撕裂破坏。

2.2风沙粒子冲击后涂层内部沿Z轴的应力如图1所示，模拟风沙粒子垂直冲击涂层，其界面上主要受到垂直于界面方向的应力和平行于界面方向的切应力影响，而垂直于界面方向的应力即为沿Z轴方向的应力。沿Z轴方向的应力理论值可由式(9)求得，图6为冲击后涂层内部沿Z方向的应力FEM解。由图6可见：冲击碰撞后涂层内部产生了应力波，这些应力波由以接触中心为球心的很多个半球形组成，其最大值约为7MPa。该数值影响着涂层材料的Z向受压能力。如图7所示，沿Z轴的Z向应力变化曲线非常平滑，即材料对Z向应力的承受力相对于表面接触区应力来说是比较好的。

2.3风沙粒子冲击后涂层内部的剪应力如图8所示，在平行于界面层的方向，涂层内部剪应力以Z轴为对称轴对称分布。应力等值线由很多不规则的类似同心圆组成；同时，每个应力等值线的间距大小是不同的。这种不规则的类似同心圆说明在涂层内部剪切应力的分布非常不规则，而等值线的间距不同说明应力的变化很不均匀，剪切应力的变化非常复杂。剪切应力的最大值出现在碰撞接触点的左下方和右下方，这两个接触区域下方切应力最大值的点是剪切破坏极易发生的位置，该涂层剪切承载力限制了对涂层材料的选择。在接触点正下方和剪应力最大值位置之间的剪应力变化相比其他位置更加剧烈。在这非常短的距离内剪应力从0增加到最大值2.4MPa，剪应力的急剧变化易引起涂层损失破坏。

2.4受风沙粒子冲击后涂层与基体界面处的Z向应力图9和图10为界面上Z向应力场的分布规律，由图可见：界面处Z向应力均为压应力，在界面接触碰撞中心的应力场较大；FEM结果显示最大Z向应力值为3.2MPa，与粒子撞击涂层时涂层表面的最大Z向应力7MPa相比明显减小；界面上应力较大值分布范围比风沙粒子冲击涂层时涂层表面应力较大值的分布范围更广，其主要原因是碰撞后产生的应力波开始扩散传播，界面上的较大应力分布到了更广泛的区域中。界面上Z向应力的分布规律为：在r/h(r为距Z向应力中心的距离，h为涂层厚度)为0~0.4的一段范围，Z向应力基本不变；在r/h为0.4~1的这一段中，Z向应力剧烈降到0.5MPa；当r/h>1后，Z向应力基本保持不变。

2.5受风沙粒子冲击后涂层与基体界面处的剪应力涂层与基体界面上剪应力的研究对于涂层基体的剪切破坏规律具有重要指导意义。界面上的剪应力以撞击点正下方为界，左右基本对称。界面上剪应力的较大值分布在图11中空白处，即应力等值线A及其内部空白区域，空白处剪应力较大值均匀分布在撞击点正下方附近；从碰撞接触中心到应力最大处这段距离中可以看出，剪应力的变化非常剧烈，在此易发生破坏。图12为涂层基体界面处剪应力的FEM解与理论解，从图中可以看出：剪应力从撞击点正下方到最大值处的变化较快；从撞击中心到大约r/h=0.5时，剪应力达到最大值，理论值为0.7MPa，模拟值为0.8MPa，这是涂层与基体最容易发生破坏和损伤的部分。从图12可以看出在r/h为0~0.5时剪应力曲线的斜率非常大。该斜率为剪切加速度，较大的剪切加速度将引起严重的撕裂破坏。

3结论

1)涂层接触区径向应力为压应力，在接触中心取得最大值；随着与接触中心距离的增加，压应力的减小速度加快；在圆边界40μm处出现拉应力最大值。2)涂层内部沿Z轴的径向应力变化曲线非常平滑，材料对Z向应力的承受力比对表面接触区径向应力的承受力好。3)涂层内部剪应力关于Z轴对称分布，应力的变化很不均匀；最大值出现在碰撞接触点左下方和右下方，在这两个区域易发生破坏。4)在涂层与基体界面处，Z向应力在r/h为0~0.4时的变化较小；在r/h为0.4~1时，Z向应力剧烈减少；当r/h>1时，Z向应力基本保持不变。5)涂层与基体界面剪应力关于碰撞点左右基本呈对称分布，在r/h为0~0.5时，界面剪应力变化很大，易引起界面撕裂破坏。

作者：郝贠洪朱敏侠靳铁顺宿廷单位：内蒙古工业大学土木工程学院