考慮冷卻通道的熱障涂層渦輪葉片應力場的有限元模擬.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)備或機器的工作效率，延長其使用壽命。熱障涂層可廣泛應用于多個領(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，本文主要針對的對象就是高性能

2、航空發(fā)動機內(nèi)的熱障涂層渦輪葉片。渦輪葉片是航空發(fā)動機的核心部件，對航空發(fā)動機的性能起著非常關(guān)鍵的作用。在實際的使用過程中，由于熱障涂層渦輪葉片結(jié)構(gòu)復雜，使用環(huán)境也非常多樣化，使得熱障涂層渦輪葉片在實際服役過程中的應力演化成為相關(guān)研究的重點和難點問題。因此本文的研究重點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力演化，以及不同數(shù)目冷卻通道對渦輪葉片熱障涂層應力場的影響，從而探索應力的演化規(guī)律。本學位論文的主要研究內(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；對模型進行網(wǎng)格劃分，首先，將模型切分為葉身和榫頭兩部分，分別對兩部分劃分網(wǎng)格；進行材料屬性、加載、邊界條件、初始條件等的設(shè)置，先計算溫度場，再應用溫度場的結(jié)算結(jié)果計算應力場。
　　第二，溫度場和應力場的

4、有限元計算結(jié)果的分析。保溫過程中（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的溫度梯度最大。因此，只考慮溫度對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，對基底的保護作用也最好。對于應力場的結(jié)果分析，在經(jīng)過若干熱循環(huán)的計算過后，在陶瓷層中的應力演化過程中，隨著熱循環(huán)數(shù)的增加，在陶瓷層內(nèi)由初始的殘余壓應力，慢慢變小，依此規(guī)律推斷，在足夠多個循環(huán)過后，壓縮

5、應力逐漸變?yōu)?以后，會繼續(xù)增大為拉應力，當拉應力持續(xù)增大到一定值的時候，陶瓷層就會發(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，通過對熱循環(huán)過程中應力場的計算，分析不同數(shù)目冷卻通道對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，不同數(shù)目的冷卻通道對熱障涂層渦輪葉片的溫度分布幾乎沒有影響，也說明此時溫度分布