考慮冷卻通道的熱障涂層渦輪葉片應(yīng)力場(chǎng)的有限元模擬.pdf

1、熱障涂層(Thermal Barrier Coatings, TBCs)材料是一種起隔熱作用的陶瓷涂層，其熱傳導(dǎo)系數(shù)一般較低，通常制備在金屬或高溫合金的表面，可以大幅度的降低被保護(hù)金屬或高溫合金的溫度，從而大大的提升了整體器件或系統(tǒng)的工作溫度，從而提高設(shè)備或機(jī)器的工作效率，延長(zhǎng)其使用壽命。熱障涂層可廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，尤其在航空航天飛行器的熱端部件、冶金行業(yè)、化學(xué)化工行業(yè)以及能源工業(yè)等方面的使用更是至關(guān)重要，本文主要針對(duì)的對(duì)象就是高性能

2、航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的熱障涂層渦輪葉片。渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能起著非常關(guān)鍵的作用。在實(shí)際的使用過(guò)程中，由于熱障涂層渦輪葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用環(huán)境也非常多樣化，使得熱障涂層渦輪葉片在實(shí)際服役過(guò)程中的應(yīng)力演化成為相關(guān)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。因此本文的研究重點(diǎn)是分析考慮冷卻通道的熱障涂層渦輪葉片在熱循環(huán)作用下的溫度變化和應(yīng)力演化，以及不同數(shù)目冷卻通道對(duì)渦輪葉片熱障涂層應(yīng)力場(chǎng)的影響，從而探索應(yīng)力的演化規(guī)律。本學(xué)位論文的主要研究?jī)?nèi)容

3、如下：
　　第一，建立含有多條冷卻通道的熱障涂層渦輪葉片的有限元模型。首先，建立含有熱障涂層分層結(jié)構(gòu)，但不含有冷卻通道的渦輪葉片的幾何結(jié)構(gòu)，然后，建立冷卻通道的幾何模型，最后再合成含有多條冷卻通道的熱障涂層渦輪葉片的幾何模型；對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，首先，將模型切分為葉身和榫頭兩部分，分別對(duì)兩部分劃分網(wǎng)格；進(jìn)行材料屬性、加載、邊界條件、初始條件等的設(shè)置，先計(jì)算溫度場(chǎng)，再應(yīng)用溫度場(chǎng)的結(jié)算結(jié)果計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)。
　　第二，溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的

4、有限元計(jì)算結(jié)果的分析。保溫過(guò)程中（穩(wěn)態(tài)）的溫度分布的結(jié)果表明，葉片不同位置的溫度分布存在很大的不同，其中，壓力面的熱障涂層分擔(dān)的溫度梯度最大。因此，只考慮溫度對(duì)熱障涂層渦輪葉片的影響的話，壓力面的涂層需要承受更高的高溫作用和更大的溫度梯度，對(duì)基底的保護(hù)作用也最好。對(duì)于應(yīng)力場(chǎng)的結(jié)果分析，在經(jīng)過(guò)若干熱循環(huán)的計(jì)算過(guò)后，在陶瓷層中的應(yīng)力演化過(guò)程中，隨著熱循環(huán)數(shù)的增加，在陶瓷層內(nèi)由初始的殘余壓應(yīng)力，慢慢變小，依此規(guī)律推斷，在足夠多個(gè)循環(huán)過(guò)后，壓縮

5、應(yīng)力逐漸變?yōu)?以后，會(huì)繼續(xù)增大為拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力持續(xù)增大到一定值的時(shí)候，陶瓷層就會(huì)發(fā)生破壞。
　　第三，建立不同數(shù)目冷卻通道的熱障涂層渦輪葉片的有限元模型。在冷卻通道的總表面積不變、熱障涂層各層厚度和形狀不變的前提下，通過(guò)對(duì)熱循環(huán)過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算，分析不同數(shù)目冷卻通道對(duì)熱障涂層渦輪葉片的影響或作用。其中我們發(fā)現(xiàn)，在不考慮冷卻氣體流速和外界熱交換變化時(shí)，不同數(shù)目的冷卻通道對(duì)熱障涂層渦輪葉片的溫度分布幾乎沒(méi)有影響，也說(shuō)明此時(shí)溫度分布