陶瓷基复合材料涡轮转子叶片的宏细观结构设计
发布时间：2021-02-05 08:05
陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites,简称CMCs）具有轻质、吸振、耐高温等特点,是发展高性能航空发动机的关键材料。在航空发动机的涡轮叶片上应用CMCs将显著提升航空发动机的性能。但是CMCs也具有硬度高、脆性大,加工难度大且非均质性显著的特性。目前几乎没有关于CMCs涡轮转子叶片结构设计的公开报道。如何设计叶片的宏观与细观结构,已成为制约CMCs涡轮叶片研制的关键技术瓶颈。本文针对上述问题开展研究工作。首先分析了某型发动机的金属涡轮转子叶片在室温典型转速下的应力分布,作为CMCs涡轮叶片应力分析的参照。然后结合CMCs的材料特性,设计出了CMCs涡轮转子叶片的宏观主体模型。并在此基础上进行铺层设计,最终实现了CMCs涡轮转子叶片的细观结构设计及建模。最后采用有限元法计算了室温典型转速下的CMCs涡轮转子叶片的应力分布。结果表明,基于叶身几何中面铺层设计的CMCs涡轮转子叶片的应力分布更为合理。此种情况下,它沿经纱方向的的最大拉伸应力为101MPa,低于其拉伸强度336MPa。与其配套的金属涡轮盘的最大Mises等效应力为136MPa,远低于其屈服强度12...
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
注释表
缩略词
第一章 绪论
1.1 选题背景
1.2 CMCS结构设计方法的国内外研究现状
1.3 本文的主要研究工作及意义
第二章 CMCS涡轮转子叶片的宏观结构设计
2.1 引言
2.2 金属涡轮转子叶片的结构及强度分析
2.2.1 金属涡轮转子叶片的结构分析
2.2.2 金属涡轮转子叶片的工作环境分析
2.2.3 金属涡轮转子叶片的强度分析
2.3 CMCS涡轮转子叶片的宏观结构设计
2.4 本章小结
第三章 CMCS涡轮转子叶片的细观结构设计
3.1 引言
3.2 CMCS涡轮转子叶片主体的细观结构设计
3.2.1 CMCs涡轮转子叶片主体的铺层方案
3.2.2 三种铺层方案的优劣对比
3.3 CMCS涡轮转子叶片整体模型的细观结构设计
3.3.1 CMCs涡轮转子叶片的榫头成型设计
3.3.2 CMCs涡轮转子叶片的下缘板成型设计
3.3.3 平面铺层CMCs涡轮转子叶片的细观结构
3.4 本章小结
第四章 CMCS涡轮转子叶片的强度及变形分析
4.1 引言
4.2 CMCS涡轮转子叶片的有限元实体建模
4.2.1 CMCs涡轮转子叶片的有限元实体建模难点
4.2.2 CMCs涡轮转子叶片有限元实体建模方案
4.2.3 CMCs涡轮转子叶片铺层结构的材料主方向设定
4.3 CMCS涡轮转子叶片的强度及变形分析
4.3.1 载荷、约束和接触的设置
4.3.2 四种涡轮转子叶片的强度分析
4.3.3 四种涡轮转子叶片的变形分析
4.3.4 CMCs涡轮转子叶片的铺层应力分析
4.4 本章小结
第五章 全文总结及展望
5.1 本文工作总结
5.2 研究展望
参考文献
致谢
在学期间的研究成果及发表的学术论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]二维编织SiC/SiC陶瓷基复合材料宏观弹性常数预测及模态试验研究[J]. 胡殿印,曾雨琪,张龙,梅文斌,申秀丽,王荣桥. 推进技术. 2018(02)
[2]碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料的发展现状及其在航空发动机上的应用[J]. 邹豪,王宇,刘刚,赵龙,包建文. 航空制造技术. 2017(15)
[3]航空发动机用连续SiCf/SiC复合材料制备工艺及应用前景[J]. 刘虎,杨金华,焦健. 航空制造技术. 2017(16)
[4]检测发动机叶片的相控阵超声换能器设计[J]. 马立印,李洋,周正干. 压电与声光. 2017(05)
[5]航空发动机涡轮叶片精密成形技术及其发展趋势[J]. 蒋睿嵩,汪文虎,王增强,张定华,卜昆. 航空制造技术. 2016(21)
[6]航空发动机复合材料叶片曲面可铺性研究[J]. 宋超,李勇,还大军,肖军. 航空制造技术. 2015(S2)
[7]材料基因组计划简介[J]. 赵继成. 自然杂志. 2014(02)
[8]新一代发动机高温材料—陶瓷基复合材料的制备、性能及应用[J]. 焦健,陈明伟. 航空制造技术. 2014(07)
[9]商用航空发动机陶瓷基复合材料部件的研发应用及展望[J]. 高铁,洪智亮,杨娟. 航空制造技术. 2014(06)
[10]连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料在航空发动机上的应用[J]. 王鸣,董志国,张晓越,姚博. 航空制造技术. 2014(06)
博士论文
[1]基于数据挖掘的复合材料宏—细观力学模型研究[D]. 白晓明.哈尔滨工业大学 2016
硕士论文
[1]航空发动机涡轮叶片的强度分析和寿命预测[D]. 王小宏.兰州理工大学 2016
[2]复杂结构有限元模型分级确认研究[D]. 倪磊.南京航空航天大学 2009
本文编号：3019297
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
注释表
缩略词
第一章 绪论
1.1 选题背景
1.2 CMCS结构设计方法的国内外研究现状
1.3 本文的主要研究工作及意义
第二章 CMCS涡轮转子叶片的宏观结构设计
2.1 引言
2.2 金属涡轮转子叶片的结构及强度分析
2.2.1 金属涡轮转子叶片的结构分析
2.2.2 金属涡轮转子叶片的工作环境分析
2.2.3 金属涡轮转子叶片的强度分析
2.3 CMCS涡轮转子叶片的宏观结构设计
2.4 本章小结
第三章 CMCS涡轮转子叶片的细观结构设计
3.1 引言
3.2 CMCS涡轮转子叶片主体的细观结构设计
3.2.1 CMCs涡轮转子叶片主体的铺层方案
3.2.2 三种铺层方案的优劣对比
3.3 CMCS涡轮转子叶片整体模型的细观结构设计
3.3.1 CMCs涡轮转子叶片的榫头成型设计
3.3.2 CMCs涡轮转子叶片的下缘板成型设计
3.3.3 平面铺层CMCs涡轮转子叶片的细观结构
3.4 本章小结
第四章 CMCS涡轮转子叶片的强度及变形分析
4.1 引言
4.2 CMCS涡轮转子叶片的有限元实体建模
4.2.1 CMCs涡轮转子叶片的有限元实体建模难点
4.2.2 CMCs涡轮转子叶片有限元实体建模方案
4.2.3 CMCs涡轮转子叶片铺层结构的材料主方向设定
4.3 CMCS涡轮转子叶片的强度及变形分析
4.3.1 载荷、约束和接触的设置
4.3.2 四种涡轮转子叶片的强度分析
4.3.3 四种涡轮转子叶片的变形分析
4.3.4 CMCs涡轮转子叶片的铺层应力分析
4.4 本章小结
第五章 全文总结及展望
5.1 本文工作总结
5.2 研究展望
参考文献
致谢
在学期间的研究成果及发表的学术论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]二维编织SiC/SiC陶瓷基复合材料宏观弹性常数预测及模态试验研究[J]. 胡殿印,曾雨琪,张龙,梅文斌,申秀丽,王荣桥. 推进技术. 2018(02)
[2]碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料的发展现状及其在航空发动机上的应用[J]. 邹豪,王宇,刘刚,赵龙,包建文. 航空制造技术. 2017(15)
[3]航空发动机用连续SiCf/SiC复合材料制备工艺及应用前景[J]. 刘虎,杨金华,焦健. 航空制造技术. 2017(16)
[4]检测发动机叶片的相控阵超声换能器设计[J]. 马立印,李洋,周正干. 压电与声光. 2017(05)
[5]航空发动机涡轮叶片精密成形技术及其发展趋势[J]. 蒋睿嵩,汪文虎,王增强,张定华,卜昆. 航空制造技术. 2016(21)
[6]航空发动机复合材料叶片曲面可铺性研究[J]. 宋超,李勇,还大军,肖军. 航空制造技术. 2015(S2)
[7]材料基因组计划简介[J]. 赵继成. 自然杂志. 2014(02)
[8]新一代发动机高温材料—陶瓷基复合材料的制备、性能及应用[J]. 焦健,陈明伟. 航空制造技术. 2014(07)
[9]商用航空发动机陶瓷基复合材料部件的研发应用及展望[J]. 高铁,洪智亮,杨娟. 航空制造技术. 2014(06)
[10]连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料在航空发动机上的应用[J]. 王鸣,董志国,张晓越,姚博. 航空制造技术. 2014(06)
博士论文
[1]基于数据挖掘的复合材料宏—细观力学模型研究[D]. 白晓明.哈尔滨工业大学 2016
硕士论文
[1]航空发动机涡轮叶片的强度分析和寿命预测[D]. 王小宏.兰州理工大学 2016
[2]复杂结构有限元模型分级确认研究[D]. 倪磊.南京航空航天大学 2009
本文编号：3019297
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