陶瓷基渦輪葉片熱分析模型研究.pdf

1、纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料因其輕質(zhì)、耐高溫等特點，已經(jīng)成為新一代高性能航空發(fā)動機(jī)高溫部件最具競爭力備選材料。本文以陶瓷基渦輪葉片的熱分析模型為研究對象，研究了基于微觀結(jié)構(gòu)圖像識別的復(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)合材料溫度場計算方法，最終結(jié)合自開發(fā)的熱分析程序完成了陶瓷基渦輪葉片熱分析模型研究。
　　研究中首先針對最基礎(chǔ)的復(fù)合材料——單向長纖維增韌復(fù)合材料，研究了基于材料微觀結(jié)構(gòu)圖像

2、識別技術(shù)的ETC預(yù)估方法，并用該方法成功實現(xiàn)T300碳纖維單向增韌樹脂復(fù)合材料的ETC預(yù)估，計算值和試驗測試值的相對誤差為10.1％，絕對誤差僅為0.035W/(m?K)。在預(yù)估方法準(zhǔn)確性得到試驗驗證基礎(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，間隙特征參數(shù)對復(fù)合材料ETC的影響規(guī)律。計算結(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，間隙位置的隨機(jī)性對單向復(fù)合材料宏觀ETC的影響很微弱。<

3、br>　　然后針對三維五向編織型復(fù)合材料，基于微觀結(jié)構(gòu)圖像識別技術(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，實現(xiàn)對三維五向SiCf/SiC復(fù)合材料樣本的ETC預(yù)估，預(yù)估結(jié)果與試驗值相對誤差僅為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，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ETC分散度

4、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Matlab與Fortran聯(lián)合編程，開發(fā)了適用于CMC渦輪葉片氣冷方案熱分析的軟件平臺，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渦輪葉片溫度場計算、交互性冷卻結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計等功能。
　　利用本文建立的渦輪葉片熱分析平臺，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件的溫度分布規(guī)律。計算中發(fā)現(xiàn)，考慮材料內(nèi)部