1、1毕业论文开题报告工程力学SOFC陶瓷复合材料板的界面应力数值模拟与表面裂纹研究1选题的背景与意义近几年，国内兴起了新能源材料的研发和制备工作，其中的固体氧化物燃料电池SOFC就是一种新型的陶瓷层合复合材料，它的研制已备受国家十二五规划的重视。因固体氧化物燃料电池的制备过程在800度左右的高温环境中，且其本身属于脆性材料，易产生微裂纹甚至断裂情况。而裂纹是影响固体氧化物燃料电池本身性能的关键要素。因此，有必要对此类新材料中的力学问题进行研究。尤其是高温环境下，SOFC这种新型陶瓷层合复合材料薄板的界面应力分布规律及其表面裂纹扩展特性需要进行深入的研究。其结果将为SOFC的研制和电池性能的提高给
2、予一定的理论指导。2研究的基本内容与拟解决的主要问题研究的基本内容是根据复合材料力学基本理论，应用商用有限元计算分析软件ANSYS计算分析SOFC陶瓷层合复合材料板在常温和8000C高温两种环境下，其受均布压载荷作用时的层间应力分布规律，并定性分析其受均布载荷以及集中载荷两种类型的压载荷作用时易发生表面裂纹的位置。拟解决的主要问题是，通过数值模拟，得出在常温下和8000C高温下其裂纹扩展程度的区别以及应力最大位置的变化。3研究的方法与技术路线根据复合材料力学基本理论、热力学基本理论和有限元法，应用商用有限元计算分析软件ANSYS进行数值模拟。4研究的总体安排与进度41研究的总体安排1首先，调研
3、国内外相关文献资料，总结已有文献成果和目前研究现状。2根据已有研究成果和工程应用情况，分析计算陶瓷复合材料板在高温环境下的力学性能，主要包括应力分布规律和裂纹扩展特性。42研究进度22010112020101231完成文献调研工作，写出文献调研总结；提交开题报告。201101012011513完成毕业论文，并提交指导教师修改，在提交后的一周内2011513之前完成定稿。201105142010527进行本科毕业论文答辩。201105282010617参与本科毕业论文评优活动。参考文献1焦更生,李贺军,李克智,王创陶瓷复合材料的发展及其应用J渭南师范学院学报,2006,21258622辛钧,李伟
4、信延性夹层层状陶瓷复合材料的研究进展J中国陶瓷,2010,467353徐旭东,顾峰,张保卫LAPO4/YZRO2陶瓷复合材料的力学性能和可加工性研究J人工晶体学报,2008,3748298324张士军,魏亦军固体氧化物燃料电池的研究进展J淮南师范学院学报,2006,3853565王绍荣固体氧化物燃料电池简介J节能论坛,2007,332346韩苗苗,沈炯,李益国固体氧化物燃料电池的多模型预测控制方法研究J华东电力,2009,3710176717707谢德明固体氧化物燃料电池失效快速判断激励探讨J电池工业,2008,1153303323毕业论文文献综述工程力学SOFC陶瓷复合材料板的界面应力数值模
5、拟与表面裂纹研究1文献检索范围1中文科技期刊全文库维普19892010102中国学位论文全文数据库万方19802010103中国学位论文文摘数据库万方19802010104中国学术会议论文全文数据库万方19852010105中国学术会议论文文摘数据库万方19852010106中国科技成果数据库万方19832010107数字化期刊全文数据库万方19982010108中国期刊网全文数据库同方19832010102课题的研究历史与研究现状21引言复合材料是以一种材料为基体，另一种材料为增强体组合而成的材料。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主
6、要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。复合材料的特点主要体现在以下两个方面1一是各组分在性能上有“协同作用”，它不仅能维持原各组分的优点，而且产生原各组分所不具备的新性能；二是具有可设计性。总的来看，复合材料具备多种优良的性能，如刚度大，强度高，重量轻，耐腐蚀，耐高温，抗疲劳等，而这些特点都是单一材料所不及的。从整体上讲，陶瓷复合材料起步较晚，发展较为缓慢，主要原因有以下两点一是由于陶瓷增强材料出现的比较晚，二是其本身烧结工艺复杂2。但是它特有耐高温的物理性能，一直是科学界关注和研究的热点内容。随
7、着近几年各种性能优良的陶瓷增强材料的出现、烧结工艺的长进、新型复合材料的出现，陶瓷复合4材料、纳米陶瓷复合材料也随之迅速发展。常见的陶瓷复合材料有SICW/ZRO2陶瓷复合材料、TICTI3ALZRO2陶瓷复合材料、CA3CO4O9/AG陶瓷复合材料、LAPO4/YZRO2陶瓷复合材料等。近几年，国内兴起了新能源材料的研发和制备工作，其中的固体氧化物燃料电池SOFC就是一种新型的陶瓷层合复合材料，它的研制已备受国家十二五规划的重视。因固体氧化物燃料电池的制备过程在800度左右的高温环境中3，且其本身属于脆性材料，易产生微裂纹甚至断裂情况。而裂纹是影响固体氧化物燃料电池本身性能的关键要素。因此，
8、有必要对此类新材料中的力学问题进行研究。此本科毕业论文设计主要计算分析SOFC陶瓷层合复合材料薄板的界面应力分布规律及其表面裂纹扩展特性。主要任务是用有限元分析软件计算分析SOFC陶瓷层合复合材料板在常温和8000C高温两种环境下，其受均布压载荷作用时的层间应力分布规律，并定性分析其受均布载荷以及集中载荷两种类型的压载荷作用时易发生表面裂纹的位置。进而总结高温环境下，SOFC陶瓷复合材料板的力学性能。其结果将为SOFC的研制给予一定的理论指导。22陶瓷复合材料力学性能改进的研究历史与现状陶瓷材料虽然具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀和质量轻等一系列优良的特性，但由于其致命的弱点脆性，而限制了其优良性能
9、的更好发挥，因而也限制了它的实际应用范围。为此，陶瓷韧化便成了近年来陶瓷材料研究的核心课题。221陶瓷材料的增韧近几年以日本的新原诰一等人为代表1,4，在世界范围内掀起了一股研究“纳米颗粒复相陶瓷”的热潮，在陶瓷基体中引入微米级的第二相增强颗粒，可以使材料的室温和高温性能大幅度提高，特别是强度值。将503微米的SIC颗粒引入AL2O3陶瓷中，陶瓷的强度可达到1GP以上，并且这一强度值可以一直保持到10000C以上。同时SIC颗粒的加入使AL2O3陶瓷的断裂韧性KTC值也由原来的325MPAM1/2上升到470MPAM1/2。222夹层层状陶瓷复合材料的增韧机理层状陶瓷复合材料的增韧机理与一般传
10、统上的通过消除缺陷的增韧方法不同5，它是通过一种能量吸收和耗散的机制来实现的，所以人们称之为“耐缺陷”5的材料。延性金属作为夹层时，它产生的形变能够大大吸收层状陶瓷复合材料受破坏时的能量，从而对裂纹扩展时裂纹尖端起到一定程度的钝化作用，同时能使裂纹发生偏转，增长了裂纹的扩展路径。已有研究成果表明5层状陶瓷复合材料断裂过程中，裂纹扩展表现出特有的阶梯状断裂模式。裂纹一般产生于层状复合材料的表面基体层，当基体断裂，裂纹穿过基体层到达延性夹层时，裂纹尖端发生钝化，同时在基体层和夹层的界面或者夹层内发生偏转，沿着界面平行方向扩展一段距离，直到下一个基体层发生断裂，裂纹沿着基体层断裂方向继续扩展，到达下
11、一个夹层界面，这个过程循环往复，直至整个层状陶瓷复合材料整体断裂。图1载荷加载时间曲线5。从试样的载荷时间曲线（如图1所示）上来看层状陶瓷复合材料的这种断裂模式，形成了一条特有的“锯齿状”曲线6。需要说明的是，当延性夹层材料的延展性足够好时，由于延性材料的拉伸，容易在夹层形成一个宏观的桥联，使得裂纹并未张开，对层状材料韧性的增加具有很大的作用。223LAPO4/YZRO2陶瓷复合材料的力学性能和可加工性综述2231力学性能表1LAPO4/YZRO2复合陶瓷的组成和钻削速率。SAMPLESABCDLAPO4CONTENTWT102030406DRILLINGRATEMM/S00030007001
12、40027LAPO4/YZRO2复合陶瓷的样品编号及LAPO4含量如表1所示7。图1为1600OC烧结2H所得样品的弯曲强度、断裂韧性与LAPO4含量的变化关系。由图2可见，样品A的弯曲强度和断裂韧性均很高，分别达62852MPA和956MPAM1/2；样品B的弯曲强度和断裂韧性分别为48652MPA和876MPAM1/2，比样品A分别下降24和8；样品C的弯曲强度和断裂韧性分别为33798MPA和72MPAM1/2，与样品A相比分别下降46和24；样品D的弯曲强度和断裂韧性分别为16544MPA和316MPA，比样品A分别下降74和67。LAPO4/YZRO2复合陶瓷的弯曲强度及断裂韧性随L
13、APO4含量的增加而下降，但呈现不同的下降趋势。当LAPO4含量小于30时，断裂韧性的下降速率较慢，仅为弯曲强度下降速率的一半；而当LAPO4含量达到50时，断裂韧性迅速下降，与弯曲强度的下降速率相当。这两种不同的变化趋势是由于ZRO2的相变增韧和LAPO4与ZRO2弱界面形成微裂纹增韧所导致。根据THOMPSON等8报道可知,样品C符合作为齿科全瓷桥、冠修复体的要求。图2LAPO4含量对抗弯强度和断裂韧性的影响。2232加工性能参考DAVIS钻孔测试9来研究LAPO4/YZRO2复合陶瓷的加工性能7。在相同钻削条件下，样品A、B、C、D的钻削速率如表1所示，随着LAPO4含量的增加，复合陶瓷
14、的钻削速率快速增大。样品A的钻削速率很低，钻头磨损严重；样品B可以钻削，但速率较低；样品C的钻削率为0014MM/S，达到A样品的5倍，在7一定程度上实现了材料的可加工性且保持了材料较高的力学性能；样品D的钻削速率达到样品C的两倍，加工更为容易，但力学性能大幅下降，其弯曲强度和断裂韧性仅达样品C的50左右。样品C的孔壁表面光滑，没有开裂和崩口，说明LAPO4/YZRO2复合陶瓷能用传统的硬质合金刀具进行加工，加工表面没有出现明显的缺陷，加工损伤小，可加工性能良好。3课题的发展动向和趋势陶瓷复合材料具有耐高温、高强度、高硬度及耐腐蚀性好等特点而被广泛的应用到很多领域，主要体现在如下四个方面11在
15、航空航天领域中作耐高温材料。随着现代高科技的迅猛发展，要求材料能在更高的温度下保持优良的综合性能。陶瓷复合材料可较好地满足这一要求。它的最高使用温度主要取决于基体特性，其工作温度按下列基体材料依次提高玻璃、玻璃陶瓷、碳素材料，最高工作温度可达1900OC10。2在电子、微电子工业中得到广泛应用。电子陶瓷11,12以其特有的绝缘性、介电性、压电性、热电性、半导体及超导性等多种优良电气性能而得到广泛应用。电子陶瓷已大规模实用化的应用于集成电路基板和封装用绝缘陶瓷如ALN、SINBEO系、汽车火花塞绝缘陶瓷如AL2O3系、电容器的介电陶瓷如BATIO3系、有“水下雷达”之称的水声压电陶瓷，以及在生活
16、中广为应用的PTC热敏陶瓷如电炉、加湿器干燥机等、NTC热敏陶瓷、CTR热敏陶瓷如VO2火灾报警器、热敏半导体陶瓷及用在过电压保护的ZNO压敏避雷器等。3在医学上的应用。生物陶瓷材料生物相容性良好、机械强度高、在人体内强度降低小、可靠性高、且不发生排斥作用，从而成为医学临床应用的一类主要材料，目前已经广泛用在人体骨骼和牙齿的修复和替换。4在机械加工方面的应用。陶瓷复合材料以其高硬度的特点被用作切削工具。陶瓷复合材料在机械工业中广泛的用作刀具，特别是AL2O3系陶瓷刀具材料以其性能优、成本低等优点，在工业生产中正日益广泛地被用作各种先进的切削刀具。固体氧化物燃料电池作为第三代燃料电池13,14,
17、15，以稳定化的固态氧化物作为电解质，以天然气、城市煤气、液化气以及生物质气化等为燃料，具有多燃料的适用性，将燃料的化学能高效地转化为电能。SOFC不需要使用昂贵的贵金属8催化剂，使用全固态组件，不存在腐蚀、泄露等问题，规模和安装地点灵活。然而，现代陶瓷复合材料它的发展也仅仅是二三十年的历史刚起步，还有许多问题如高温蠕变、热冲击性、致密化等问题还有待于进一步的研究和探讨。据目前的发展状况预测，今后SOFC陶瓷材料将向以下几个方面发展11在保证各相相容性良好的前提下，在复合方式上向多元化混杂型方向发展，以求达到协同增韧的复合效果。2探索陶瓷材料的自诊断和自愈合性能。3进一步优化陶瓷复合材料的制备
18、、烧结工艺。综上所述，未来的几年甚至几十年内，它的研制和大范围应用的各方面研究将是复合陶瓷材料研究的重点内容，其力学性能也随之将受到关注。特别是，它在高温环境下消除裂纹等力学性能的研究将会受到倍加重视。参考文献1焦更生,李贺军,李克智,王创陶瓷复合材料的发展及其应用J,渭南师范学院学报,2006,21258622陈华辉,邓海金,李明等现代复合材料M北京中国物资出版社,19982543谢德明固体氧化物燃料电池失效快速判断激励探讨J电池工业,2008,1153303324尹衍升,张景德氧化铝陶瓷及其复合材料M北京化学工业出版社,20015辛钧,李伟信延性夹层层状陶瓷复合材料的研究进展J,中国陶瓷,
19、2010,467356WALEEDMEKKY,PATRICKS,NICHOLSONMODELINGCONSTRAINEDMETALBEHAVIORINCERAMIC/METALLAMINATESJCOMPOSITESPARTB,2008,394975047徐旭东,顾峰,张保卫LAPO4/YZRO2陶瓷复合材料的力学性能和可加工性研究J,人工晶体学报,2008,3748298328THOMPSONJY,BAYNESC,HEYMANNHOMECHANICALPROPERTIESOFANEWMICABASEDMACHINABLEGLASSFORCAD/CAMRESTORATIONSJPROSTHET
20、DENT,1996,7666196239MARSHALLDB,MORGANPED,HOUSLEYRM,ETALHIGHTEMPERATURESTABILITYOFTHELAPO4AL2O3SYSTEMJJAMCERAMSOC,1998,81495195610沃丁柱复合材料大全M北京化学工业出版社,20022511黄汉生电子材料用精细陶瓷复合材料J硅酸盐学报,1989,174394112徐正,宏伟现代功能材料M北京国防工业出版社,1998135143913张士军,魏亦军固体氧化物燃料电池的研究进展J淮南师范学院学报,200638535614王绍荣固体氧化物燃料电池简介J节能论坛,2007,332
21、3415韩苗苗,沈炯,李益国固体氧化物燃料电池的多模型预测控制方法研究J华东电力,2009,37101767177010本科毕业论文（20届）SOFC陶瓷层合复合材料板的界面应力数值模拟与表面裂纹研究11摘要摘要本毕业设计是利用有限元分析软件ANSYS对一个三层的SOFC陶瓷层合复合材料板在常温和8000C高温两种环境下受压载荷作用时的应力分布情况进行数值模拟，得出受5000N均布压载荷作用时的层间应力分布规律，并定性分析其受均布载荷和集中载荷两种类型的压载荷作用时表面裂纹的发生现象。得到的层间应力分布规律为当上述SOFC陶瓷层合复合材料板受均布压载荷作用时，其下界面受到的最主要的应力为沿厚度
22、方向的正应力、垂直于长度方向的截面内以及垂直于宽度方向的截面内的剪应力，并且这三个应力的最大值分布在模型下界面的四个角和四条边上。表面裂纹的分析结果为无论在常温下还是8000C的高温下，当模型受均布压载荷作用时，模型最易产生裂纹的位置都在下层板的边缘部分；当模型受集中压载荷作用时，最易发生裂纹位置都在作用点及作用点附近区域，且在8000C的高温下产生裂纹的概率更高。关键词SOFC陶瓷层合复合材料板；SOFC；层合板；层间应力；裂纹。12THEINTERFACIALSTRESSSIMULATIONANDTHERESEARCHOFSURFACECRACKOFSOFCCERAMICLAMINATED
23、COMPOSITEPAATESABSTRACTABSTRACTTHEGRADUATIONPROJECTISUSETHEFINITEELEMENTANALYSISSOFTWAREANSYSTOSIMULATIONTHESTRESSDISTRIBUTIONOFATHREELAYERSOFCCERAMICLAMINATEDCOMPOSITEPLATESWHENITSUNDERPRESSURELOADATROOMTEMPERATUREAND8000CHIGHTEMPERATUREENVIRONMENT,GETTHELAWOFINTERLAMINARSTRESSWHENITSUNDER5000NUNIF
24、ORMPRESSURELOAD,ANDQUALITATIVEANALYSISTHELOCATIONOFTHESURFACECRACKSAPPEAREDWHENITSUNDERUNIFORMLOADORCONCENTRATEDLOADTHELAWOFINTERLAMINARSTRESSISTHATTHEMAINSTRESSISTHENORMALSTRESSALONGTHETHICKNESSDIRECTIONANDTHESHEARSTRESSINTHESECTIONPERPENDICULARTOTHELENGTHANDTHESECTIONPERPENDICULARTOTHEWIDTHWHENTHE
25、SOFCCERAMICLAMINATEDCOMPOSITEPLATESISUNDERUNIFORMPRESSURELOAD,ANDTHEMAXIMUMOFTHETHREESTRESSISDISTRIBUTIONATTHEFOURCORNERSANDFOUREDGEOFPLATEOFTHELOWERINTERFACEOFTHEMODELRESULTSOFTHEANALYSISOFSURFACECRACKISTHATTHELOCATIONMOSTLIKELYTOCRACKISTHEEDGEOFTHELOWERLAYERWHENITSUNDERUNIFORMPRESSURELOADWHETHERAT
26、ROOMTEMPERATUREOR8000CHIGHTEMPERATUREENVIRONMENTANDTHELOCATIONMOSTLIKELYTOCRACKISTHEPOINTBYFORCEANDTHEREGIONALNEARTHEPOINTWHENITSUNDERCONCENTRATEDLOADALSOITSEASIERTOCRACKWHENATTHE8000CHIGHTEMPERATUREENVIRONMENTKEYWORDSSOFCCERAMICLAMINATEDCOMPOSITEPLATES；SOFC；LAMINATES；INTERLAMINARSTRESS；CRACK13目录摘要1
27、1ABSTRACT12目录131绪论1511研究背景和意义1512SOFC的研究现状15121国内研究现状15122国外研究现状1613本文研究内容1714本文体系结构172常温下SOFC陶瓷层合复合材料板的界面应力数值模拟及表面裂纹研究1821引言1822有限元计算模型1823划分网格2024设置约束和加载载荷20241加载均布载荷20242加载集中载荷2125层间应力分布规律2126裂纹发生现象的定性分析253高温环境中SOFC陶瓷层合复合材料板的界面应力数值模拟及表面裂纹研究3131引言3132高温环境下的有限元计算模型3133划分网格3134设置约束和加载载荷32341加载均布载荷32
28、14342加载集中载荷3235层间应力分布规律3236裂纹发生现象的定性分析374总结43致谢错误未定义书签。151绪论11研究背景和意义近几年，国内兴起了新能源材料的研发和制备工作，其中的固体氧化物燃料电池SOFC就是一种新型的陶瓷层合复合材料，它的研制已备受国家十二五规划的重视。因固体氧化物燃料电池的制备过程在800度左右的高温环境中，且其本身属于脆性材料，易产生微裂纹甚至断裂情况，而裂纹是影响固体氧化物燃料电池本身性能的关键要素。因此，有必要对此类新材料中的力学问题进行研究，尤其是高温环境下，SOFC这种新型陶瓷层合复合材料薄板的界面应力分布规律及其表面裂纹发生现象需要进行深入的研究。其
29、结果将为SOFC的研制和电池性能的提高给予一定的理论指导。12SOFC的研究现状固体氧化物电池是将燃料中的化学能直接转化为电能的一类电化学装置，具有系统设计简单、能量转化效率高、环境友好、规模弹性大及寿命长等优点。在矿物资源日趋贫乏和保护生态环境日益受到重视的今天，固体氧化物电池作为新型高效的洁净能源在世界范围内引起了普遍关注，世界各国都在竞相开展研究。121国内研究现状大连海事大学材料工艺研究所的荆波和孙俊才1利用梯度复合的方法，把LSM和一定比例的YSZ复合，用喷涂法在YSZ电解质片上制备多层复合阴极，对其热膨胀系数、电化学极化曲线进行研究，设法进一步提高电极的电化学性能和热循环性能。其研
30、究结果表明，该方法缓解了阴极与电解质之间的热失配问题，而且多层复合阴极表现出较好的电化学性能，其机械稳定性能和可循环性都显著提高，给延长电池的使用寿命带来了希望。甘氨酸硝酸盐（GNP）法是一种低温自燃烧化学合成法，该方法不仅反应迅速、产物纯度高、点火温度低，而且合成粉体颗粒细小、烧结活性高2外，在制备过程中，甘氨酸既是燃料，又是络合剂，其络合作用可以防止前驱体在燃烧过程中可能出现的成分偏析3。上海交通大学机械与动力工程学院燃料电池研究所的王海霞和屠恒勇4采用GNP法，制备出了均质、比表面积高、反应活性高的钙16钛矿型复合氧化物错误未找到引用源。所得粉体不仅有效降低了电池的极化损失，获得了良好的
31、单电池输出性能，而且制备过程效率高、成本低，为中低温固体氧化物电池的实际应用提供了实验基础。2010年，广西工学院生物与化学工程系的郭为民5等人用硝酸盐氨水沉淀法合成了NIO纳米粉体，X射线粉末衍射结果表明样品为面心立方结构，颗粒的平均粒径为25NM。以此纳米NIO为原料制备NIOYSZ阳极，在NIOYSZ阳极上用离心沉积方法制备了一层10MYSZ薄膜，扫描电子显微镜测试结果表明阳极和电解质薄膜之间接触良好，采用LA07SR03MNO3YSZ阴极，单电池在800时的最大比功率为072W/CM2。测试结果还表明该阳极具有合适的孔隙率，说明采用硝酸盐氨水沉淀法合成的NIO可以制备固体氧化物燃料电池
32、的阳极。122国外研究现状1997年，CHAROJROCHKULS等人6首次将GDC材料用作LA08SR02COO3LSC阴极和YSZ电解质问的夹层来抑制KSC和YSZ之间的界面反应和元素扩散。他们采用火焰辅助气相沉积技术，制备GDC夹层使阴极的R值降低为原先的1/1000。另外，由于GDC的热膨胀系数在YSZ和LSC之问，降低了产生在SOFC结构中的残余应力，解决了LSC阴极制备在YSZ电解质产生裂纹的难题。成立于2001年的CERESPOWER7集中了工程技术、油气发电、工业自动化以及新材料领域的诸多世界顶级研发专家，专业从事中低温SOFC产品开发，目标是开发125KW且适用于多种燃料气石
33、油液化气、天然气、甲醇及氢气等的中温SOFC电池堆。2006年，CERESPOWER等采用核心SOFC电池堆技术和集成叠放式结构设计见图18联合开发住宅用125KWCHP系统。到2008年9月，用于热电联供系统的燃料电池堆已经组装和测试完成，提前完成既定目标。目前CHP系统的设计组装工作也已完成，正在进行整个系统的性能测试。17图1CERESPOWER的燃料电池堆和热电联供系统8德国JULISH研究中心7（FZJ）致力于SOFC的研发已有十多年历史，开发的电池为NIYSZ阳极支撑平板式设计，电解质和阴极材料分别为氧化锆稳定氧化钇YTTRIASTABILIZEDZIRCONIA，YSZ和LA，S
34、RMNO3LSM。电池的制备工艺均实现大规模商业化生产，尺寸有三种规格5CM5CM、10CM10CM以及20CM20CM。9122004年，组装成功由60个单电池组成的F型电池堆，以氢气为燃料的输出功率为133KW，以甲烷为燃料的输出功率达119KW。到目前为止，已经组装和测试250多个类似的电池堆，对电池材料的制作和电池堆结构进行了系列优化。FZJ现阶段的主要研究内容单电池性能与堆性能差别及其原因探究，堆电池性能下降现象分析与模拟，研究人员争取从电解质材料、阴极材料、阳极材料等方面来提高电池堆的性能。最新的研究结果表明7阴极材料对电池堆的性能具有决定性的影响。13本文研究内容本文主要研究内容
35、是用ANSYS计算分析SOFC陶瓷层合复合材料板在常温和高温两种环境下，其受均布压载荷作用时的层间应力分布规律，并定性分析其受均布载荷以及集中载荷两种类型的压载荷作用时易发生表面裂纹的位置。14本文体系结构本设计分为四章内容第一章绪论。主要是论述研究的背景和意义和SOFC的研究历史与现状以18及本文的研究内容。第二章常温下SOFC陶瓷层合复合材料板的界面应力有限元数值模拟及表面裂纹研究。利用有限元分析软件ANSYS对在常温环境下，三层的复合材料板受均布压载荷作用时的层间应力分布规律，并定性分析其受均布载荷以及集中载荷两种类型的压载荷作用时易发生表面裂纹的位置。第三章高温环境中SOFC陶瓷层合复
36、合材料板的界面应力有限元数值模拟及表面裂纹研究。利用有限元分析软件ANSYS对在高温环境下，三层的复合材料板受均布压载荷作用时的层间应力分布规律，并定性分析其受均布载荷以及集中载荷两种类型的压载荷作用时易发生表面裂纹的位置。第四章总结。对课题研究成果的总结。2常温下SOFC陶瓷层合复合材料板的界面应力数值模拟及表面裂纹研究21引言ANSYS是一套大型的、模块化的商业化有限元程序包，是目前国际上应用最广泛的有限元程序包之一。本章就是通过运用ANSYS对SOFC陶瓷层合复合材料板受压载荷作用时的应力分布情况进行数值模拟，分析SOFC陶瓷层合复合材料板在受均布压载荷作用时的层间应力分布规律以及其受压
37、载荷作用时易发生表面裂纹的位置。22有限元计算模型利用有限元分析软件ANSYS建立模型。首先建立一个长方体，各项参数如图2所示，然后通过布尔运算中的剪切运算将整个长方体切分成上中下3部分，上下2层厚度为1毫米，中间层为4毫米，从而得到如图2所示模型。19图2模型参数图3三层板模型定义模型的单元类型为SOLID46（SOLID46单元是用于构造3维8节点分层实体，是SOLID45的分层形式，用于模拟分层壳或实体。每个节点有3个自由度X、Y、Z方向），然后输入材料属性。本文所使用的材料为NIYSZ、YSZ、LSN，三种材料的各项工程弹性参数如表1所示，选择的材料类型为线弹性的各向异性材料，由于E1
38、的方向是板的长度方向，E2的方向是板的宽度方向，所以取EXE1，EYE2，GXYG12，又由于利用ANSYS计算各向异性材料时必须输入9个数值，所以近似的取EZEY，GXZGXY，并取三种材料的GYZ均为1E8PA。表1三种材料的工程弹性参数（常温下）材料E1GPAE2GPAG12MPA密度KG/M3NIYSZ1005950292007090YSZ2201000312006000LSN10059502920067002023划分网格对上述有限元计算模型划分网格。首先利用网格划分工具定义最上层板的材料为NIYSZ，中间层的材料为YSZ，下层板的材料为LSN，然后拾取与XY平面平行的所有平面（包括
39、XY平面）的边，设置其划分尺寸为25毫米，接着拾取中间层所有与Z轴平行的边，设置其划分尺寸为1毫米，最后划分网格，得到的网格模型如图4所示。图4网格模型24设置约束和加载载荷241加载均布载荷在SOLUTION菜单中定义计算的分析类型为静态分析，然后对模型下表面X、Y、Z三个方向进行位移约束，并在模型的上表面加载一个大小为5000N的均布压载荷，然后通过求解器计算结果。21242加载集中载荷对上述有限元模型的下表面X、Y、Z三个方向进行位移约束，在其上表面的中心点加载一个大小为5000N、方向为Z轴负方向的集中载荷，通过求解器计算结果。25层间应力分布规律为了研究常温下SOFC陶瓷层合复合材料
40、板的层间应力分布规律，本文选取模型的下界面（下界面既为中间层与下层板交界处）作为研究对象。在241的计算结果中选择查看模型下界面节点正应力和剪应力的应力云图，得到的结果如图5到图10所示图5下界面沿X方向的正应力分布图图5显示的是模型下界面沿X方向的正应力分布情况，从图中可以看出模型下界面沿X方向的应力的最大值出现在中间淡绿色区域，大小在1220N到1382N之间，方向为X轴的负方向，且应力的分布左右对称，应力大小从中心向左右两端递减，在左右两端取得最小值，大小在895613N到1058N之间，方向为X轴的负方向。22图6下界面沿Y方向的正应力分布图图6显示的是模型下界面沿Y方向的正应力分布情
41、况，其最大值同样出现在中间区域（淡绿色区域），大小在994604N到1160N之间，方向为Y轴负方向，且应力的分布上下对称，应力大小从中心向上下两端递减，在上下两端取得最小值，大小在663041N到828822N之间，方向为Y轴负方向。图7下界面沿Z方向的正应力分布图图7显示的是模型下界面沿Z方向的正应力分布情况，从图中可以看出，黄23色区域几乎占据了整个应力云图，大小在5409N到5440N之间，方向为Z轴负方向，其最大值出现在下界面的四个角上（淡绿色区域），大小在5440N到5472N之间。图8下界面在XY面内的剪应力分布图图8显示的是模型下界面在XY面内的剪应力分布情况，由图中可以看出，
42、剪应力的大小关于X轴和Y轴对称，应力方向呈对角线对称，且分别在图中的红色区域和深蓝色区域取得最大值，大小在0364923N到0469186N之间。图9下界面在YZ面内的剪应力分布图图9显示的是模型下界面在YZ面内的剪应力分布情况，应力大小的分布为24上下对称，应力方向为上下相反，应力大小由中心向两边递增，分别在淡绿色区域和淡蓝色区域取得最大值，大小在11222N到33667N之间。图10下界面在XZ面内的剪应力分布图图10显示的是模型下界面在XZ面内的剪应力分布情况，其分布情况与图9所示的在YZ面内的剪应力分布情况相似，只是对称轴由X轴变为Y轴，最大值出现图中淡绿色区域和淡蓝色区域，大小在11
43、852N到35557N之间。由图5到图10可以得出对于22所建立的有限元模型，当对其下表面的X、Y、Z三个方向进行位移约束，且在其上表面施加大小5000N均布压载荷时，其下界面的应力分布规律为下界面上沿X、Y方向的正应力的最大值均出现在中间区域，应力分布分别关于Y轴和X轴对称，而下界面沿Z方向的正应力最大值出现在模型的四个角上。对三个正应力的最大值进行比较，可以看出模型下界面主要受沿Z方向的正应力作用。对于剪应力，在XY面内的剪应力大小关于X轴和Y轴对称，应力方向对角线对称，在靠近下界面四个角的位置上取得最大值，在YZ面内的剪应力大小关于X轴对称，方向相反，在平行于X轴的两条边上取得最大值，在
44、XZ面内的剪应力大小关于Y轴对称，方向相反，在平行于Y轴的两条边上取得最大值。比较三个剪应力的最大值，可以得出模型下界面主要受在YZ面内以及XZ面内的剪应力作用。2526裂纹发生现象的定性分析为了研究常温下SOFC陶瓷层合复合材料板的表面裂纹发生现象，因而有必要选取整个模型作为研究对象。在241的计算结果中选择查看整个模型的节点正应力和剪应力应力云图，得到的结果如图11到图16所示，并在242的计算结果中选择查看整个模型的节点正应力和剪应力应力云图，得到的结果如图17到图22所示。图11模型沿X方向的正应力应力云图图12模型沿Y方向的正应力应力云图26图13模型沿Z方向的正应力应力云图图14模
45、型在XY面内的剪应力应力云图27图15模型在YZ面内的剪应力应力云图图16模型在XZ面内的剪应力应力云图从图11到16我们可以看出，模型受到的最大正应力为沿Z方向的正应力，其最大值出现在图13中的蓝色区域，大小达到了5631N，方向为Z轴的负方向。模型受到的最大剪应力为在XZ面内以及YZ面内的剪应力，其最大值分别出现在图16和图15的红色和蓝色区域，分别达到了106672N和101001N。由此我们得出，在常温下，当模型受均布压载荷作用时，最易产生裂纹的位置为下层板的边缘部分。图17模型沿X方向的正应力应力云图28图18模型沿Y方向的正应力应力云图图19模型沿Z方向的正应力应力云图29图20模
46、型在XY面内的剪应力应力云图图21模型在YZ面内的剪应力应力云图30图22模型在XZ面内的剪应力应力云图从图17到图22（图中所示平面为模型的上表面）中我们可以看出，模型沿X、Y、Z方向的三个正应力的最大值均出现在集中载荷的作用点处即模型的中心处（蓝色区域），其大小分别为865E8N、773E8N、267E9N。而模型在XY、YZ、XZ三个面内的剪应力的最大值均出现在作用点的附近（蓝色区域和红色区域），其大小分别为194751N、267E6N、528E6N。因此当模型受集中压载荷作用时，最易发生裂纹的位置在作用点以及作用点附近很小的一块区域，且其6个应力的最大值都远大于模型受相同大小的均布压载
47、荷作用时的应力最大值，所以模型受集中压载荷作用比受均布压载荷作用更易产生裂纹。313高温环境中SOFC陶瓷层合复合材料板的界面应力数值模拟及表面裂纹研究31引言在上章中，已经通过ANSYS有限元分析软件分析了SOFC陶瓷层合复合材料板在常温环境下，其受压载荷作用时层间应力分布规律。然而因固体氧化物燃料电池的制备过程是在800度左右的高温环境中，因此研究其在高温环境下，受压载荷作用时的层间应力分布规律是非常有必要的。本章同样是通过利用ANSYS来进行数值模拟，分析其层间的应力分布规律，从而总结出高温环境下SOFC陶瓷复合材料板的力学性能。32高温环境下的有限元计算模型采用22中的有限元计算模型，
48、只是改变其中的材料参数，三种材料在8000C高温下的工程弹性参数如表2所示，与表1的数据进行比较可以看出在8000C高温下。NIYSZ的工程弹性参数发生了变化，采用相同的近似方法，取EXE1。EYEZE2。GXYGXZG12。GYZ1E8PA，在材料模型中输入得到的参数。表2三种材料在8000C的高温下的工程弹性参数材料E1GPAE2GPAG12MPA密度KG/M3热膨胀系数106KNIYSZ40200292006410124YSZ2201000312006000109LSN1005950292006700118833划分网格对32中的有限元计算模型划分网格。首先利用网格划分工具定义最上层板的
49、材料为NIYSZ，中间层的材料为YSZ，下层板的材料为LSN，然后拾取与XY平面平行的所有平面的边，设置其划分尺寸为25毫米，拾取中间层所有与Z轴平行的边，设置其划分尺寸为1毫米，最后划分网格，得到的网格模型如图23所示。32图23网格模型34设置约束和加载载荷341加载均布载荷通过菜单操作MAINMENUSOLUTIONDEFINELOADSSETTINGSREFERENCETEMP设定参考温度为200C，然后对三层板模型下表面的X、Y、Z三个方向进行位移约束，在模型的上表面施加一个大小为5000N均布压载荷，并对整个模型施加一个8000C的温度载荷，通过求解器计算结果。342加载集中载荷通过菜单操作MAINMENUSOLUTIONDEFINELOADSSETTINGSREFERENCETEMP设定参考温度为200C，然后对三层板模型下表面的X、Y、Z三个方向进行位移约束，在模型的上表面施加一个大小为5000N的集中载荷，方向为Z轴的负方向，并对整个模型施加一个8000C的温度载荷，通过求解器计算结果。35层间应力分布规律为了研究8000C高温下SOFC陶瓷层合复合材料板的层间应力分布规律，与第二章相类似，本章同样选取模型的下界面作为研究对象。在341的计算结果33中选择查看模型下界面（下界面既为中间层与下层板交界处）节点正应力和剪应力的应力云图，得到的结果
