航空发动机热障涂层结构的低速冲击性能研究
发布时间：2021-06-13 17:41
热障涂层是航空发动机热端部件的主要热防护结构,其在使用和维修过程中难免会遭受到颗粒物的低速冲击,低速冲击对涂层造成的损伤多发生在内部不易直接从外部观测。因此,深入研究低速冲击对热障涂层造成损伤形式具有重要意义。先进的热障涂层多为功能梯度结构,即从底面金属粘结层到表面陶瓷层之间设置了金属含量逐渐减少、陶瓷含量逐渐增加的梯度层。针对功能梯度热障涂层含有的陶瓷、金属和粘结材料分别使用脆性开裂准则、Johnson Cook准则和内聚力模型来描述材料受到低速冲击的损伤形式。利用有限元软件ABAQUS分别建立了不考虑和考虑材料损伤形式的两种冲击模型,在不考虑材料损伤形式的模型中,讨论了刚性球不同冲击方式和涂层力学特征变化对涂层受力与形变的影响;在考虑材料损伤形式的模型中,总结出涂层中陶瓷、金属和粘结材料各自的损伤形式。本文对不同厚度位置的粘结层其损伤特征规律进行了创新性研究,同时探究了刚性球不同冲击密度和冲击间隔对材料损伤程度和损伤分布规律的影响。研究结果表明:涂层受到的冲击力和产生的形变主要与刚性球的法向动能有关,球体半径、冲击速度和冲击角度是直接影响法向动能的因素,刚性球冲击位置、涂层梯度指数...
【文章来源】：中国民航大学天津市
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
热障涂
中国民航大学硕士学位论文8高的机械强度。2.1.2梯度热障涂层的结构陶瓷材料通常具有熔点高、热导率低的特点，金属材料则相对熔点较低、热导率较高，两种材料组合时热性能的巨大差异造成在结合面处产生应力集中的现象，降低陶瓷层与金属基体的结合强度进而导致出现开裂、脱落等情况。为避免界面出现结合不良的现象，依据功能梯度材料的概念，可将陶瓷/金属热障涂层设计为梯度结构。涂层上表面使用耐热陶瓷材料，下底面使用硬质金属材料，从上到下的中间层则采用陶瓷材料体积分数逐渐减小，金属材料体积分数逐渐升高的梯度结构，实际应用中通常将中间层设计为多层结构，如图2-2所示。图2-2梯度结构热障涂层示意图2.1.3梯度热障涂层的材料参数模型梯度结构的任意一层中，金属材料和陶瓷材料体积份数f的关系有幂函数和多项式函数两种表达形式，由于幂函数形式表达方式更加灵活被广泛使用，具体形式为[49]：nzf)1(1(2.1)nzf2(2.2)下标1代表任意一层中的陶瓷材料，下标2则代表该层中的金属材料。n是幂指数，通过调整幂指数可改变某一层中陶瓷与金属材料的体积份数比例从而改变整体梯度结构材料分布规律。z是无量纲系数，其数值大小通常与某一层在厚度方向上的坐标呈正相关，且10z，下极限z=0处是纯金属层，上极限z=1处是纯陶瓷层。
中国民航大学硕士学位论文11图2-3热障涂层受力与变形示意图热障涂层上表面与球冲击接触区的半径为a，忽略球状颗粒的损伤并将其视为刚性球，因为mp>mb，Eb>Ep，因此有：bpbmmmm1111(2.8))1()1("22pbbppbEEEEE(2.9)式中，mb——刚性球质量；b——刚性球泊松比；Eb——刚性球弹性模量；mp——热障涂层质量；p——涂层的泊松比；Ep——热障涂层弹性模量。根据弹性动力学理论[56]，热障涂层冲击接触区的法向变形方程：5.122)(nbnmkdtd(2.10))1(3422/1ppERk(2.11)式中，t——冲击接触时间。涂层表面的法向变形初始条件n0：)sin(0pbnuv(2.12)式中，vb——刚性球冲击速度；
【参考文献】：
期刊论文
[1]断裂准则对TC4钛合金板抗卵形头弹冲击的影响[J]. 邓云飞,张永,张伟岐,徐美健,王陆军. 中国机械工程. 2019(19)
[2]MCrAlY粘结层的微观组织及制备方法研究进展[J]. 陈守东. 材料导报. 2019(15)
[3]镍基合金薄板不同温度下的弹道冲击行为[J]. 刘焦,郑百林,杨彪,俞晓强,张锴,史同承. 航空材料学报. 2019(01)
[4]航空发动机涡轮叶片损伤分析[J]. 杨晓军,王瑛琦,刘智刚. 机械工程与自动化. 2017(03)
[5]基于IDMS的航空发动机砂尘吸入物定量监测[J]. 孙见忠,刘信超,刘若晨,康远荣,殷逸冰,左洪福. 航空学报. 2017(08)
[6]SiC单晶线锯切片微裂纹损伤深度的有限元分析[J]. 高玉飞,陈阳,葛培琪. 西安交通大学学报. 2016(12)
[7]航空发动机涡轮叶片热障涂层冲蚀试验装置的研制[J]. 杨丽,谭明,周文峰,周益春. 装备环境工程. 2016(03)
[8]剪切增稠流体在低速冲击防护中的应用研究[J]. 薛亚静,林兰天,张福乐. 上海纺织科技. 2015(02)
[9]氧化锆陶瓷磨削机理有限元仿真与实验[J]. 张珂,齐宇飞,王贺,李颂华,吴玉厚. 沈阳建筑大学学报(自然科学版). 2014(03)
[10]国外航空涡扇发动机涡轮叶片热障涂层技术发展[J]. 徐庆泽,梁春华,孙广华,王志宏. 航空发动机. 2008(03)
博士论文
[1]PS-PVD羽—柱状结构7YSZ热障涂层的制备与性能研究[D]. 陈文龙.广东工业大学 2017
[2]航空发动机双转子系统高精度动力学建模与碰摩响应研究[D]. 孙传宗.哈尔滨工业大学 2017
[3]高温燃气发动机叶片的冲击冷却与气膜冷却的数值研究[D]. 徐华昭.中国科学技术大学 2013
[4]含低速冲击损伤复合材料层板剩余强度及疲劳性能研究[D]. 朱炜垚.南京航空航天大学 2012
[5]飞机蜂窝结构动态冲击下的破坏机理及吸收能量分配机制[D]. 孟黎清.太原理工大学 2011
[6]低速冲击下损伤层合/功能梯度板壳的非线性动力学研究[D]. 毛贻齐.湖南大学 2011
[7]航空发动机气冷涡轮叶片的气热耦合数值模拟研究[D]. 董平.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]弹性涂层冲蚀模型和损伤机理研究[D]. 朱晓红.中国民航大学 2019
[2]高温处理诱导的YSZ原子结构演变[D]. 罗华.湘潭大学 2018
[3]功能梯度板壳在低速冲击下的接触与动力学行为研究[D]. 胡亚清.湖南大学 2018
[4]复合材料层合结构低速冲击的扩展逐层方法研究[D]. 胥栋.中国民航大学 2018
[5]基于红外热成像的复合材料冲击损伤检测及力学性能评估[D]. 班钊.暨南大学 2017
[6]Zr2Y2O7相界面失配和90°取向畴的研究[D]. 彭善衡.湘潭大学 2017
[7]涡轮叶片内冷通道的流动传热特性分析及优化设计[D]. 宋乙丹.西北工业大学 2017
[8]复合材料层合板低速冲击有限元模拟分析[D]. 贾雪芳.哈尔滨工业大学 2016
[9]真实微观结构EB-PVD热障涂层冲蚀失效的有限元模拟[D]. 李辉林.湘潭大学 2016
[10]航空发动机冷气导管成形工艺研究[D]. 孙佳伟.南京航空航天大学 2016
本文编号：3228003
【文章来源】：中国民航大学天津市
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
热障涂
中国民航大学硕士学位论文8高的机械强度。2.1.2梯度热障涂层的结构陶瓷材料通常具有熔点高、热导率低的特点，金属材料则相对熔点较低、热导率较高，两种材料组合时热性能的巨大差异造成在结合面处产生应力集中的现象，降低陶瓷层与金属基体的结合强度进而导致出现开裂、脱落等情况。为避免界面出现结合不良的现象，依据功能梯度材料的概念，可将陶瓷/金属热障涂层设计为梯度结构。涂层上表面使用耐热陶瓷材料，下底面使用硬质金属材料，从上到下的中间层则采用陶瓷材料体积分数逐渐减小，金属材料体积分数逐渐升高的梯度结构，实际应用中通常将中间层设计为多层结构，如图2-2所示。图2-2梯度结构热障涂层示意图2.1.3梯度热障涂层的材料参数模型梯度结构的任意一层中，金属材料和陶瓷材料体积份数f的关系有幂函数和多项式函数两种表达形式，由于幂函数形式表达方式更加灵活被广泛使用，具体形式为[49]：nzf)1(1(2.1)nzf2(2.2)下标1代表任意一层中的陶瓷材料，下标2则代表该层中的金属材料。n是幂指数，通过调整幂指数可改变某一层中陶瓷与金属材料的体积份数比例从而改变整体梯度结构材料分布规律。z是无量纲系数，其数值大小通常与某一层在厚度方向上的坐标呈正相关，且10z，下极限z=0处是纯金属层，上极限z=1处是纯陶瓷层。
中国民航大学硕士学位论文11图2-3热障涂层受力与变形示意图热障涂层上表面与球冲击接触区的半径为a，忽略球状颗粒的损伤并将其视为刚性球，因为mp>mb，Eb>Ep，因此有：bpbmmmm1111(2.8))1()1("22pbbppbEEEEE(2.9)式中，mb——刚性球质量；b——刚性球泊松比；Eb——刚性球弹性模量；mp——热障涂层质量；p——涂层的泊松比；Ep——热障涂层弹性模量。根据弹性动力学理论[56]，热障涂层冲击接触区的法向变形方程：5.122)(nbnmkdtd(2.10))1(3422/1ppERk(2.11)式中，t——冲击接触时间。涂层表面的法向变形初始条件n0：)sin(0pbnuv(2.12)式中，vb——刚性球冲击速度；
【参考文献】：
期刊论文
[1]断裂准则对TC4钛合金板抗卵形头弹冲击的影响[J]. 邓云飞,张永,张伟岐,徐美健,王陆军. 中国机械工程. 2019(19)
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[3]镍基合金薄板不同温度下的弹道冲击行为[J]. 刘焦,郑百林,杨彪,俞晓强,张锴,史同承. 航空材料学报. 2019(01)
[4]航空发动机涡轮叶片损伤分析[J]. 杨晓军,王瑛琦,刘智刚. 机械工程与自动化. 2017(03)
[5]基于IDMS的航空发动机砂尘吸入物定量监测[J]. 孙见忠,刘信超,刘若晨,康远荣,殷逸冰,左洪福. 航空学报. 2017(08)
[6]SiC单晶线锯切片微裂纹损伤深度的有限元分析[J]. 高玉飞,陈阳,葛培琪. 西安交通大学学报. 2016(12)
[7]航空发动机涡轮叶片热障涂层冲蚀试验装置的研制[J]. 杨丽,谭明,周文峰,周益春. 装备环境工程. 2016(03)
[8]剪切增稠流体在低速冲击防护中的应用研究[J]. 薛亚静,林兰天,张福乐. 上海纺织科技. 2015(02)
[9]氧化锆陶瓷磨削机理有限元仿真与实验[J]. 张珂,齐宇飞,王贺,李颂华,吴玉厚. 沈阳建筑大学学报(自然科学版). 2014(03)
[10]国外航空涡扇发动机涡轮叶片热障涂层技术发展[J]. 徐庆泽,梁春华,孙广华,王志宏. 航空发动机. 2008(03)
博士论文
[1]PS-PVD羽—柱状结构7YSZ热障涂层的制备与性能研究[D]. 陈文龙.广东工业大学 2017
[2]航空发动机双转子系统高精度动力学建模与碰摩响应研究[D]. 孙传宗.哈尔滨工业大学 2017
[3]高温燃气发动机叶片的冲击冷却与气膜冷却的数值研究[D]. 徐华昭.中国科学技术大学 2013
[4]含低速冲击损伤复合材料层板剩余强度及疲劳性能研究[D]. 朱炜垚.南京航空航天大学 2012
[5]飞机蜂窝结构动态冲击下的破坏机理及吸收能量分配机制[D]. 孟黎清.太原理工大学 2011
[6]低速冲击下损伤层合/功能梯度板壳的非线性动力学研究[D]. 毛贻齐.湖南大学 2011
[7]航空发动机气冷涡轮叶片的气热耦合数值模拟研究[D]. 董平.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]弹性涂层冲蚀模型和损伤机理研究[D]. 朱晓红.中国民航大学 2019
[2]高温处理诱导的YSZ原子结构演变[D]. 罗华.湘潭大学 2018
[3]功能梯度板壳在低速冲击下的接触与动力学行为研究[D]. 胡亚清.湖南大学 2018
[4]复合材料层合结构低速冲击的扩展逐层方法研究[D]. 胥栋.中国民航大学 2018
[5]基于红外热成像的复合材料冲击损伤检测及力学性能评估[D]. 班钊.暨南大学 2017
[6]Zr2Y2O7相界面失配和90°取向畴的研究[D]. 彭善衡.湘潭大学 2017
[7]涡轮叶片内冷通道的流动传热特性分析及优化设计[D]. 宋乙丹.西北工业大学 2017
[8]复合材料层合板低速冲击有限元模拟分析[D]. 贾雪芳.哈尔滨工业大学 2016
[9]真实微观结构EB-PVD热障涂层冲蚀失效的有限元模拟[D]. 李辉林.湘潭大学 2016
[10]航空发动机冷气导管成形工艺研究[D]. 孙佳伟.南京航空航天大学 2016
本文编号：3228003
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