考虑热效应功能梯度材料叶片的刚-柔耦合动力学建模与仿真

发布时间：2020-11-09 00:40

　　 叶片在整个航空发动机结构中具有举足轻重的地位,它关乎着发动机的性能和效率。在发动机工作状态下,叶片随着转子以极高的速度旋转,同时还受到高温高压气流的冲击。在非均匀分布的高温场和热冲击下,叶片会产生变形、热颤振和热屈曲等现象。这些现象的发生直接影响着航空发动机系统的动力学性态,严重时甚至会导致飞机失事。本文通过对温度场中做大范围运动的功能梯度材料(Functional Gradient Materials,FGM)叶片简化模型进行动力学建模,就叶片的动力学特性进行了研究。主要研究内容如下:第一章对考虑热效应功能梯度材料叶片刚-柔耦合动力学的研究现状进行了综述,然后提出了本文的主要研究目标。第二章以中心刚体附带FGM薄板系统为研究对象进行动力学建模。假设FGM薄板材料参数按体积含量的幂指数沿板厚度方向分布。沿FGM薄板厚度方向分布的温度场由泰勒级数展开法求解得到。采用假设模态法对变形进行离散,将热应变相关的项计入在弹性势能中,运用第二类拉格朗日方程推导出考虑热效应FGM薄板的一次近似刚-柔耦合动力学方程。在一次近似刚-柔耦合的基础上,保留了非线性耦合变形量的高次项,建立了考虑热效应FGM薄板的高次刚-柔耦合动力学模型。第三章通过编写动力学仿真软件对一次近似动力学方程进行数值仿真。通过算例仿真分析了不同的温度场与体积分数分别对均质薄板和FGM薄板做大范围运动(大范围转动以及大范围平动)动力学特性的影响。仿真结果表明,不同分布规律的温度场、体积分数指数和旋转角速度对大范围运动FGM薄板的动力学特性有着不同的影响规律;FGM材料对热应力具有良好的缓和效果。
【学位单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB34
【部分图文】：

影响十分显著。??航空发动机作为飞机的核心装置，是一种结构复杂和精密且功重比极高的动力装??置。图１．１为我国针对Ｃ９１９大型喷气式飞机自主研发的双轴大涵道比直驱润扇发动??机。航空发动机叶片细长比较长、应力水平高，往往在高速旋转、高温且温度不均匀??的条件下工作，此外叶片还要承受高温高压燃气气流和细微砂石的冲击。因此，航空??发动机叶片在工作时可能出现断裂、折断、变形以及叶身磨蚀等故障，是发动机最容??易发生故障的构件。波音Ｆ－１８?“大黄蜂”（Ｂｏｅｉｎｇ?Ｆ－１８?Ｈｏｒｎｅｔ?Ｓｔｒｉｋｅ?Ｆｉｇｈｔｅｒ）战斗机??采用的Ｆ４０４发动机，其高压压气机的叶片和机匣由钛合金制作。叶片由于长时间受??细小砂石的磨损导致叶片形状发生改变从而改变了叶片的固有频率，在气温３００?°Ｃ??以上以及气压０．３５?ＭＰａ以上的工况下叶片断裂并卡在转子叶尖与机匣之间，断裂的??叶片与机匣摩擦产生大量热量使得钛合金制成的叶片和机匣燃烧，最终导致飞机失??事。??１??

能不同的材料复合成的，材料结构和组成成份呈梯度变化的一种新型复合材料。功能??梯度材料为满足不同的使用要求使结构的两侧分别由性能不同的材料组成，在内部随??材料位置变化其性能也随之改变从而实现具有梯度功能的材料，图１．２为爆炸烧结的??Ｗ／Ｃｕ功能梯度材料。??图１．２爆炸烧结的Ｗ／Ｃｕ功能梯度材料??１９８７年，新野正之与平井敏雄等［４２］学者提出了一种组成结构和性能在材料厚度或??长度方向连续或准连续变化的非均质复合材料，即功能梯度材料。飞行器由于飞行速??度快，飞行器表层与空气摩擦产生热量，导致飞行器表面温度颇高，因此飞行器表面??往往需要涂刷耐高温涂层或者直接贴上耐高温的陶瓷贴片。但是，由于涂层或贴片与??飞行器主体之间存在突变界面，在高温环境下的热膨胀不协调产生极大的热应力导致??涂层和贴片断裂或者脱落，如图１．３。新野正之等ｆ４２］提出以连续变化的组分梯度代替??５??

?硕士学位论文??突变的界面从而极大的减小了热应力，其结构和组分分布如图１．４所示。??＾ｒｙ?ｍ?ｍ??＾ＫＥｍｂｍＬｊｋｓＬ?；??（ａ）发现号航天飞机的陶瓷热防护瓦?（ｂ）航天飞机隔热保护层破损形成的裂纹??图１．３热应力导致飞行器涂层材料或贴片损伤１１２１??〇〇〇〇？？？？？？??〇〇？？〇〇？？＿？??〇〇〇〇？？？〇？？??〇？〇？〇〇〇？〇？??〇〇〇〇？〇？〇？？??〇〇？〇〇？〇？？？??〇〇〇？？？？？＿？??（〇：Ａ相物质參：Ｂ相物质）??图１．４功能梯度材料的结构和组分分布示意图??功能梯度材料最初被研宄作为新型的热应力缓和型超耐热材料以应用于航天飞??机，自２０世纪８０年代中期被提出以来引起了许多国家和学者的重视并得到了飞速的发??展。随着核能、光电、化学、电磁学、生物医学乃至日常生活领域对材料性能要求的??提高，功能梯度材料的研究向着多学科交叉、多领域应用的方向发展［４３］。图１．５为使??用功能梯度生物陶瓷复合材料用于治疗骨骼软骨缺损的３Ｄ打印插头，该插头可以匹??配患者骨骼的力学性能。??６??
【参考文献】

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本文编号：2875609