陶瓷基复合材料结构固有频率及损伤测试分析

发布时间：2020-05-11 11:42

【摘要】：先进复合材料能够充分利用各组成部分的优势,使整个结构具有优良的力学性能。近三十年来,在航空领域中先进复合材料已经得到广泛的应用,并从最初的非承力构件发展到次承力构件甚至是主承力构件,例如水平安定面、方向舵、垂直尾翼、前机身等。而随着航空器的更新换代,航空发动机面临着更高温度,更高压强和更高转速的挑战。陶瓷基复合材料因其具有密度低、耐高温、比强度高的以及抗氧化的优势,有望成为新一代航空发动机叶片的替代材料。通用电气公司(GE)已经完成在F414改进型发动机上进行了陶瓷基复合材料涡轮转子叶片的关键性试验,受益于陶瓷基复合材料叶片的应用发动机整机重量变得更加轻便,并且由于陶瓷基复合材料的耐高温性能,可提高涡轮前温度进一步提高发动机燃油效率。但由于陶瓷基复合材料在生产过程中存在制作工艺多样,步骤繁复的问题,使材料内部存留一些缺陷。因此如何通过有效检测手段判断材料内部缺陷性质并对材料服役期间进行有效监测已成为十分必要的课题。文章针对陶瓷基复合材料结构,采用多种固有频率测量方法和损伤检测手段对陶瓷基复合材料旋转结构展开了固有频率与损伤情况和转速变化之间规律的研究。首先利用超速转子实验台对制备的陶瓷基复合材料结构进行超速转子实验,以模拟旋转结构工作环境并确定了试样超速转子实验的临界危险转速。其次设计了一套高精度固有频率测量方法和装置。经过验证,该测量方法能够有效排除因夹具对结构的边界条件变化而造成的测量误差。采用轮盘固定,“力锤-声压传感器”测量;轮盘固定,“压电陶瓷-激光测振仪”测量和夹具固定“压电陶瓷-激光测振仪”测量多种固有频率测量方法对陶瓷基复合材料结构进行了变量控制分析。另外利用显微CT扫描和“弱磁法”检测对陶瓷基复合材料结构损伤情况进行了跟踪检测,分析了结构裂纹发展方式以及裂纹的分布特点。验证了损伤定位公式对陶瓷基复合材料结构的损伤定位同样适用。最后根据陶瓷基复合材料的屈服强度以及结构的危险临界转速对陶瓷基复合材料结构损伤情况进行了判定,并基于固有频率变化量给出了损伤判定经验公式。
【图文】：

南昌航空大学硕士学位论文 第一章 绪论1.2.2 含裂纹梁的振动分析研究现状对于文章所研究的陶瓷基复合材料旋转结构，可将其近似看成是悬臂梁状态。梁的工作环境极其复杂，经常受到交变载荷的作用，特别是涡轮转子叶片，除受交变载荷影响外，还处在高温、高压极度恶劣的工作环境。因此，航空发动机叶片是极易产生损伤的。工程师和研究学者们对频繁发生的航空事故展开了详细的调查，调查表明这些事故很可能是由射设备结构在服役期间产生的损伤所造成的。

南昌航空大学硕士学位论文 第一章 绪论1.2.2 含裂纹梁的振动分析研究现状对于文章所研究的陶瓷基复合材料旋转结构，，可将其近似看成是悬臂梁状态。梁的工作环境极其复杂，经常受到交变载荷的作用，特别是涡轮转子叶片，除受交变载荷影响外，还处在高温、高压极度恶劣的工作环境。因此，航空发动机叶片是极易产生损伤的。工程师和研究学者们对频繁发生的航空事故展开了详细的调查，调查表明这些事故很可能是由射设备结构在服役期间产生的损伤所造成的。
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB33;V25

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本文编号：2658399