【技术实现步骤摘要】
一种大面积的涂层表面防除冰涂层设计方法
本专利技术涉及涂层除冰防冰
，是一种大面积的涂层表面防除冰涂层设计方法。
技术介绍
积冰对飞机机翼、风力发电机叶片、太阳能电池板和轮船船壳等大面积表面(平面表面长度超过50m甚至100m的表面)带来一系列的安全、效率及经济问题。超疏水表面因其优异的疏水性，被认为是防除冰领域的理想策略之一。目前，超疏水表面用于防冰领域的研究已取得一定的进展，主要集中在加快过冷水滴回弹、延缓过冷水滴结冰和降低固-液之间的冰粘附力。然而，对于大面积表面的除冰方向研究较少。目前使用的成熟防除冰涂层的除冰原理为降低冰与涂层表面的界面破坏剪切强度来使表面的冰层容易去除，均为低界面强度涂层，但界面剪切强度属于材料本征属性，其值为固定值，所以冰层的冰粘附力与结冰面积的大小成正比，结冰的面积越大，其冰粘附力越大，需要的除冰力就越大，除冰也就越困难。我们通过建立内聚力模型对冰层的剪切破坏模式进行模拟，发现冰层的破坏可以分为两种模式，强度控制模式和韧性控制模式，冰层与涂层之间的界面长度冰层发生哪一种破坏，两种破坏模式等效时的界面长度为临界长度，当界面长度低于临界长度时为强度控制模式，由界面强度的大小决定冰层冰粘附力的大小，此时冰粘附力会与面积成正比，随面积的增大而增大，而除去冰层的最小除冰力也就随之增大；当界面长度高于临界长度时为韧性控制模式，由界面的韧性决定冰层冰粘附力的大小，此时的冰粘附力已经达到最大值，不会继续增加，所以除去冰层的最小除冰力也不会增大，冰层的界面强度反而会随着面积的增大而减小。该设计使用...
【技术保护点】
1.一种大面积的涂层表面防除冰涂层设计方法，其特征是：包括以下步骤：/n步骤1：根据冰层与涂层之间的界面发生的破坏，构建内聚力模型；/n步骤2：根据构建的内聚力模型，对冰层的破坏过程进行分析，确定冰层的破坏模式；/n步骤3：对涂层表面进行结冰实验，测量在相同结冰条件、相同冰层厚度、不同界面长度所需的除冰力大小，根据除冰力确定界面韧性；/n步骤4：根据确定的冰层破坏模式和界面韧性，确定冰层与涂层之间的界面的临界长度。/n
【技术特征摘要】
1.一种大面积的涂层表面防除冰涂层设计方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤1：根据冰层与涂层之间的界面发生的破坏，构建内聚力模型；
步骤2：根据构建的内聚力模型，对冰层的破坏过程进行分析，确定冰层的破坏模式；
步骤3：对涂层表面进行结冰实验，测量在相同结冰条件、相同冰层厚度、不同界面长度所需的除冰力大小，根据除冰力确定界面韧性；
步骤4：根据确定的冰层破坏模式和界面韧性，确定冰层与涂层之间的界面的临界长度。
2.根据权利要求1所述的一种大面积的涂层表面防除冰涂层设计方法，其特征是：所述步骤1具体为：
当冰层与涂层之间为剪切型破坏时，构建内聚力模型，设定冰层弹性模量为E、厚度为h、长度为L，当冰层发生部分滑移，在一端施加外力F，外力F为平均单位宽度力，在冰和刚性基底之间界面的剪应力为τ(x)；
当冰层与涂层之间为裂纹破坏时，构建Dugdale模型，当界面破坏发生之前的剪应力为常值即为最大剪切强度，剪应力通过内聚层传递，直至冰层和涂层之间的裂纹长度度达到临界长度LC，位移u达到临界位移uc后，发生裂纹快速扩展，使冰与涂层之间的界面破坏。
3.根据权利要求1所述的一种大面积的涂层表面防除冰涂层设计方法，其特征是：所述步骤2具体为：
当采用内聚力模型时，忽略应力集中现象，采用有限元法，在冰层中取出一截面微元，确定微元在x方向的单元力平衡方程，通过下式表示所述平衡方程：
根据冰的本构方程得出区域压应力σ(x)和区域相对基底的位移u(x)之间的关系，通过下式表示σ(x)与σ(x)的关系：
根据σ(x)与σ(x)的关系以及微元在x方向的单元力平衡方程，确定u(x)的自控微分方程，通过下式表示所述微分方程：
寻找约束条件，确定u(x)的自控微分方程的通解，x＝0处施加有外力F，得到x＝0处的应力边界条件，通过下式表示所述边界条件：
σ(0)＝F/h
根据x＝0处的应力边界条件和σ(x)与σ(x)的关系，确定x＝0处的位移边界条件，通过下式表示所述位移边界条件：
u′(0)＝-F/Eh
当LC＜L时，此时发生的滑移为部分滑移，滑移区域与非滑移区域的临界处位移为0，得到x＝LC处的位移边界条件，通过下式表示x＝LC处的位移边界条件：
u(LC)＝0
在位移的通解中代入x＝0处的位移边界条件和x＝LC处的位移边界条件，确定冰层与涂层之间的相对位移u(x)；
根据不同内聚力模型中Γ与uc的关系得到uc的表达式，通过整体受力平衡方程与在界面发生断裂时u(0)＝uC求得在不同界面长度条件下的最大外力Fmax；
当采用Dugdale模型时，根据Dugdale模型建立一个冰与涂层之间的滑移的简易模型，通过下式表示韧性；
将代入位移u(x)的自控微分方程式后解出位移u(x)的通解，通过下式表示所述通解：
通过下式表示位移u(x)的特解：
当界面长度L＞LC时，界面发生部分滑移，界面破坏为韧性控制模式，在界面失效发生前的最大值临...
【专利技术属性】
技术研发人员：矫维成，王寅春，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23
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