葉片在整個航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)中具有舉足輕重的地位,它關(guān)乎著發(fā)動機的性能和效率。在發(fā)動機工作狀態(tài)下,葉片隨著轉(zhuǎn)子以極高的速度旋轉(zhuǎn),同時還受到高溫高壓氣流的沖擊。在非均勻分布的高溫場和熱沖擊下,葉片會產(chǎn)生變形、熱顫振和熱屈曲等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象的發(fā)生直接影響著航空發(fā)動機系統(tǒng)的動力學(xué)性態(tài),嚴(yán)重時甚至?xí)䦟?dǎo)致飛機失事。本文通過對溫度場中做大范圍運動的功能梯度材料(Functional Gradient Materials,FGM)葉片簡化模型進(jìn)行動力學(xué)建模,就葉片的動力學(xué)特性進(jìn)行了研究。主要研究內(nèi)容如下:第一章對考慮熱效應(yīng)功能梯度材料葉片剛-柔耦合動力學(xué)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述,然后提出了本文的主要研究目標(biāo)。第二章以中心剛體附帶FGM薄板系統(tǒng)為研究對象進(jìn)行動力學(xué)建模。假設(shè)FGM薄板材料參數(shù)按體積含量的冪指數(shù)沿板厚度方向分布。沿FGM薄板厚度方向分布的溫度場由泰勒級數(shù)展開法求解得到。采用假設(shè)模態(tài)法對變形進(jìn)行離散,將熱應(yīng)變相關(guān)的項計入在彈性勢能中,運用第二類拉格朗日方程推導(dǎo)出考慮熱效應(yīng)FGM薄板的一次近似剛-柔耦合動力學(xué)方程。在一次近似剛-柔耦合的基礎(chǔ)上,保留了非線性耦合變形量的高次項,建立了考慮熱效應(yīng)FGM薄板的高次剛-柔耦合動力學(xué)模型。第三章通過編寫動力學(xué)仿真軟件對一次近似動力學(xué)方程進(jìn)行數(shù)值仿真。通過算例仿真分析了不同的溫度場與體積分?jǐn)?shù)分別對均質(zhì)薄板和FGM薄板做大范圍運動(大范圍轉(zhuǎn)動以及大范圍平動)動力學(xué)特性的影響。仿真結(jié)果表明,不同分布規(guī)律的溫度場、體積分?jǐn)?shù)指數(shù)和旋轉(zhuǎn)角速度對大范圍運動FGM薄板的動力學(xué)特性有著不同的影響規(guī)律;FGM材料對熱應(yīng)力具有良好的緩和效果。
【學(xué)位單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB34
【部分圖文】：

影響十分顯著。??航空發(fā)動機作為飛機的核心裝置，是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜和精密且功重比極高的動力裝??置。圖１．１為我國針對Ｃ９１９大型噴氣式飛機自主研發(fā)的雙軸大涵道比直驅(qū)潤扇發(fā)動??機。航空發(fā)動機葉片細(xì)長比較長、應(yīng)力水平高，往往在高速旋轉(zhuǎn)、高溫且溫度不均勻??的條件下工作，此外葉片還要承受高溫高壓燃?xì)鈿饬骱图?xì)微砂石的沖擊。因此，航空??發(fā)動機葉片在工作時可能出現(xiàn)斷裂、折斷、變形以及葉身磨蝕等故障，是發(fā)動機最容??易發(fā)生故障的構(gòu)件。波音Ｆ－１８?“大黃蜂”（Ｂｏｅｉｎｇ?Ｆ－１８?Ｈｏｒｎｅｔ?Ｓｔｒｉｋｅ?Ｆｉｇｈｔｅｒ）戰(zhàn)斗機??采用的Ｆ４０４發(fā)動機，其高壓壓氣機的葉片和機匣由鈦合金制作。葉片由于長時間受??細(xì)小砂石的磨損導(dǎo)致葉片形狀發(fā)生改變從而改變了葉片的固有頻率，在氣溫３００?°Ｃ??以上以及氣壓０．３５?ＭＰａ以上的工況下葉片斷裂并卡在轉(zhuǎn)子葉尖與機匣之間，斷裂的??葉片與機匣摩擦產(chǎn)生大量熱量使得鈦合金制成的葉片和機匣燃燒，最終導(dǎo)致飛機失??事。??１??

能不同的材料復(fù)合成的，材料結(jié)構(gòu)和組成成份呈梯度變化的一種新型復(fù)合材料。功能??梯度材料為滿足不同的使用要求使結(jié)構(gòu)的兩側(cè)分別由性能不同的材料組成，在內(nèi)部隨??材料位置變化其性能也隨之改變從而實現(xiàn)具有梯度功能的材料，圖１．２為爆炸燒結(jié)的??Ｗ／Ｃｕ功能梯度材料。??圖１．２爆炸燒結(jié)的Ｗ／Ｃｕ功能梯度材料??１９８７年，新野正之與平井敏雄等［４２］學(xué)者提出了一種組成結(jié)構(gòu)和性能在材料厚度或??長度方向連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)變化的非均質(zhì)復(fù)合材料，即功能梯度材料。飛行器由于飛行速??度快，飛行器表層與空氣摩擦產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致飛行器表面溫度頗高，因此飛行器表面??往往需要涂刷耐高溫涂層或者直接貼上耐高溫的陶瓷貼片。但是，由于涂層或貼片與??飛行器主體之間存在突變界面，在高溫環(huán)境下的熱膨脹不協(xié)調(diào)產(chǎn)生極大的熱應(yīng)力導(dǎo)致??涂層和貼片斷裂或者脫落，如圖１．３。新野正之等ｆ４２］提出以連續(xù)變化的組分梯度代替??５??

?碩士學(xué)位論文??突變的界面從而極大的減小了熱應(yīng)力，其結(jié)構(gòu)和組分分布如圖１．４所示。??＾ｒｙ?ｍ?ｍ??＾ＫＥｍｂｍＬｊｋｓＬ?；??（ａ）發(fā)現(xiàn)號航天飛機的陶瓷熱防護(hù)瓦?（ｂ）航天飛機隔熱保護(hù)層破損形成的裂紋??圖１．３熱應(yīng)力導(dǎo)致飛行器涂層材料或貼片損傷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相物質(zhì)參：Ｂ相物質(zhì)）??圖１．４功能梯度材料的結(jié)構(gòu)和組分分布示意圖??功能梯度材料最初被研宄作為新型的熱應(yīng)力緩和型超耐熱材料以應(yīng)用于航天飛??機，自２０世紀(jì)８０年代中期被提出以來引起了許多國家和學(xué)者的重視并得到了飛速的發(fā)??展。隨著核能、光電、化學(xué)、電磁學(xué)、生物醫(yī)學(xué)乃至日常生活領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅芤蟮??提高，功能梯度材料的研究向著多學(xué)科交叉、多領(lǐng)域應(yīng)用的方向發(fā)展［４３］。圖１．５為使??用功能梯度生物陶瓷復(fù)合材料用于治療骨骼軟骨缺損的３Ｄ打印插頭，該插頭可以匹??配患者骨骼的力學(xué)性能。??６??
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2875609