以陶瓷基復(fù)合材料（Ceramic Matrix Composite,CMC材料）為代表的纖維增韌復(fù)合材料由于其耐高溫、高強(qiáng)度、低密度特點,在航空發(fā)動機(jī)高溫部件中逐步得到工程實際應(yīng)用。本文針對幾種典型的纖維增韌復(fù)合材料,分析了微觀代表性單元特征和材料宏觀熱特性的對應(yīng)關(guān)系,建立了不同類型復(fù)合材料等效導(dǎo)熱系數(shù)的預(yù)估模型,闡明了導(dǎo)熱系數(shù)各向異性特征在CMC材料渦輪葉片熱分析中的引入方式,分析了各向異性材料典型構(gòu)件的氣膜冷卻效果,探究了典型氣膜冷卻結(jié)構(gòu)在CMC材料渦輪葉片中的應(yīng)用模式和實施效果。研究中首先針對典型單向纖維增韌復(fù)合材料,應(yīng)用蒙特卡洛模擬和概率統(tǒng)計分析,發(fā)展了基于RVE（Representative Volume Element,代表性體積單胞）的熱分析方法,建立了包括等效導(dǎo)熱系數(shù)、熱流密度場和溫度梯度場等不同物理信息的RVE最小尺寸多重判據(jù),提高了典型纖維增韌復(fù)合材料熱物性的預(yù)估精度,掌握了材料內(nèi)部溫度梯度和熱流密度等熱物理場的分散特性。研究結(jié)果表明,僅僅根據(jù)等效導(dǎo)熱系數(shù)確定的RVE尺寸,將會在復(fù)合材料內(nèi)部熱流密度場和溫度梯度場的預(yù)估中帶來較大的誤差。本文研究的單向長纖維增韌復(fù)合材... 

【文章來源】：南京航空航天大學(xué)江蘇省 211工程院校

【文章頁數(shù)】：163 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

各類材料耐溫程度以及比強(qiáng)度特性示意圖

陶瓷基復(fù)合材料導(dǎo)熱機(jī)理及其在氣冷渦輪葉片熱分析中的應(yīng)用研究是：(1)能夠耐高溫，減少冷卻空氣需求量，進(jìn)而提高發(fā)動機(jī)的性能；(2)密度為 2.0～2.5g/cm3，僅是高溫合金和鋁合金的 1/4～1/3、鎢合金的 1/10～1/9，可大大減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量；(3) 部件壽命長，降低維護(hù)費用。如在 1996 年，SNECMA 公司就在 M88-2 發(fā)動機(jī)的噴管外調(diào)節(jié)片上應(yīng)用了 CMC 材料，使得發(fā)動機(jī)重量明顯降低。到 2002 年，該發(fā)動機(jī)壽命目標(biāo)已經(jīng)得到驗證，并開始投入生產(chǎn)。20 世紀(jì) 90 年代中期，SNECMA 公司與 PW 公司嘗試將連續(xù)纖維增韌的 CMC 材料應(yīng)用于F100 發(fā)動機(jī)噴管上， 并 開發(fā)了兩種 CMC 材料的燃燒室火焰筒，分別命名為CERASEP(SiC/SiC) 和 SEPCARBINOXR(C/SiC),如圖 1.2（a）所示。

)編織類材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)理論模型圖 (d) 編織類材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)電鏡照片圖 1. 3 典型纖維增韌 CMC 材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖和電鏡照片② 需要掌握考慮 CMC 材料導(dǎo)熱系數(shù)各向異性及其空間分布的渦輪葉片熱分析方法傳統(tǒng)金屬材料葉片熱分析中各個方向?qū)嵯禂?shù)都是相同的，并且作為定值代入能量方。但對于 CMC 材料來說，由于纖維本身導(dǎo)熱系數(shù)的各向異性、纖維和基體的導(dǎo)熱系數(shù)存的差異性，會導(dǎo)致材料整體的導(dǎo)熱系數(shù)往往表現(xiàn)出各向異性，致使溫度場等熱物理場存在散性。因此對 CMC 材料渦輪葉片進(jìn)行熱分析時，傳統(tǒng)基于定值的溫度場計算方法往往不反映實際情況，可能會導(dǎo)致溫度場計算存在較大的誤差。事實上，對于現(xiàn)有航空發(fā)動機(jī)渦葉片而言，工作溫度超過安全上限溫度 10K 就可能會帶來葉片燒蝕，超過 50K 則可能會材料力學(xué)性能降低 40%-50%，葉片將會出現(xiàn)裂紋、掉塊、甚至斷裂等嚴(yán)重后果。因此為了能夠準(zhǔn)確模擬和預(yù)估出氣冷 CMC 渦輪葉片的溫度場，熱分析模型需要在充分征 CMC 材料內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，獲得導(dǎo)熱系數(shù)的各向異性及其空間分布特征，并且在氣冷葉片這樣復(fù)雜結(jié)構(gòu)中準(zhǔn)確得到溫度分布規(guī)律。③ 需要進(jìn)一步完善基于 CMC 材料的渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計方法目前應(yīng)用于發(fā)動機(jī)高溫部件的高效冷卻技術(shù)包括氣膜冷卻、沖擊冷卻及復(fù)合冷卻等，冷

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
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碩士論文
[1]陶瓷基渦輪葉片熱分析模型研究[D]. 江華.南京航空航天大學(xué) 2016
[2]2.5維編織復(fù)合材料的強(qiáng)度研究[D]. 路懷玉.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2014
[3]碳/碳編織復(fù)合材料溫度場有限元分析[D]. 趙宏麗.齊魯工業(yè)大學(xué) 2012
[4]2.5維碳/碳化硅復(fù)合材料的熱物理及力學(xué)性能[D]. 李宏.西北工業(yè)大學(xué) 2007
[5]三維五向編織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)及工藝分析[D]. 徐正亞.天津工業(yè)大學(xué) 2007



本文編號：3031471