本文關(guān)鍵詞：陶瓷基渦輪葉片熱分析模型研究

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【摘要】：纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料因其輕質(zhì)、耐高溫等特點(diǎn),已經(jīng)成為新一代高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件最具競(jìng)爭(zhēng)力備選材料。本文以陶瓷基渦輪葉片的熱分析模型為研究對(duì)象,研究了基于微觀結(jié)構(gòu)圖像識(shí)別的復(fù)合材料宏觀等效導(dǎo)熱系數(shù)(ETC)預(yù)估方法,建立了反映ETC各向異性和離散性特征的復(fù)合材料溫度場(chǎng)計(jì)算方法,最終結(jié)合自開(kāi)發(fā)的熱分析程序完成了陶瓷基渦輪葉片熱分析模型研究。研究中首先針對(duì)最基礎(chǔ)的復(fù)合材料——單向長(zhǎng)纖維增韌復(fù)合材料,研究了基于材料微觀結(jié)構(gòu)圖像識(shí)別技術(shù)的ETC預(yù)估方法,并用該方法成功實(shí)現(xiàn)T300碳纖維單向增韌樹(shù)脂復(fù)合材料的ETC預(yù)估,計(jì)算值和試驗(yàn)測(cè)試值的相對(duì)誤差為10.1%,絕對(duì)誤差僅為0.035W/(m?K)。在預(yù)估方法準(zhǔn)確性得到試驗(yàn)驗(yàn)證基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了增韌纖維同基體之間存在間隙缺陷時(shí),間隙特征參數(shù)對(duì)復(fù)合材料ETC的影響規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明,單向復(fù)合材料宏觀ETC隨著間隙占比、厚度的增加均逐步降低。當(dāng)間隙占比一定時(shí),間隙位置的隨機(jī)性對(duì)單向復(fù)合材料宏觀ETC的影響很微弱。然后針對(duì)三維五向編織型復(fù)合材料,基于微觀結(jié)構(gòu)圖像識(shí)別技術(shù)建立了代表性單胞模型,綜合考慮纖維束編織走向和排列模式,實(shí)現(xiàn)對(duì)三維五向SiCf/SiC復(fù)合材料樣本的ETC預(yù)估,預(yù)估結(jié)果與試驗(yàn)值相對(duì)誤差僅為5.49%。隨后利用該方法,詳細(xì)討論了三維五向編織型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)參數(shù)、組分導(dǎo)熱特性、結(jié)構(gòu)參數(shù)離散性對(duì)其ETC的影響規(guī)律。研究中發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)部編織角度一定時(shí),縱向和橫向ETC均隨著紗線填充因子的增大而增大。纖維填充因子離散性對(duì)ETC分散度的影響大于內(nèi)部編織角離散性的影響。在ETC各向異性和離散度特征研究的基礎(chǔ)上,通過(guò)Matlab與Fortran聯(lián)合編程,開(kāi)發(fā)了適用于CMC渦輪葉片氣冷方案熱分析的軟件平臺(tái),集成了復(fù)合材料ETC預(yù)估、葉片內(nèi)/外換熱系數(shù)加載、CMC渦輪葉片溫度場(chǎng)計(jì)算、交互性冷卻結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)等功能。利用本文建立的渦輪葉片熱分析平臺(tái),研究了三維五向編織SiCf/SiC復(fù)合材料渦輪葉片原理模型試驗(yàn)件的溫度分布規(guī)律。計(jì)算中發(fā)現(xiàn),考慮材料內(nèi)部編織角存在離散性后,葉片的潛在高溫區(qū)域出現(xiàn)了向葉片內(nèi)部拓展的現(xiàn)象,面積增加了13.6%。計(jì)算結(jié)果表明,材料ETC的空間分布決定著葉片高溫區(qū)域分布位置,而高溫區(qū)域的溫度數(shù)值與ETC的各向異性程度密切相關(guān)。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：V232.4

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本文編號(hào)：1213593