【摘 要】
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陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites,简称CMCs)具有轻质、吸振、耐高温等特点,是发展高性能航空发动机的关键材料。在航空发动机的涡轮叶片上应用CMCs将显著提升航空发动机的性能。但是CMCs也具有硬度高、脆性大,加工难度大且非均质性显著的特性。目前几乎没有关于CMCs涡轮转子叶片结构设计的公开报道。如何设计叶片的宏观与细观结构,已成为制约CMCs涡轮叶片研制的关键技
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陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites,简称CMCs)具有轻质、吸振、耐高温等特点,是发展高性能航空发动机的关键材料。在航空发动机的涡轮叶片上应用CMCs将显著提升航空发动机的性能。但是CMCs也具有硬度高、脆性大,加工难度大且非均质性显著的特性。目前几乎没有关于CMCs涡轮转子叶片结构设计的公开报道。如何设计叶片的宏观与细观结构,已成为制约CMCs涡轮叶片研制的关键技术瓶颈。本文针对上述问题开展研究工作。首先分析了某型发动机的金属涡轮转子叶片在室温典型转速下的应力分布,作为CMCs涡轮叶片应力分析的参照。然后结合CMCs的材料特性,设计出了CMCs涡轮转子叶片的宏观主体模型。并在此基础上进行铺层设计,最终实现了CMCs涡轮转子叶片的细观结构设计及建模。最后采用有限元法计算了室温典型转速下的CMCs涡轮转子叶片的应力分布。结果表明,基于叶身几何中面铺层设计的CMCs涡轮转子叶片的应力分布更为合理。此种情况下,它沿经纱方向的的最大拉伸应力为101MPa,低于其拉伸强度336MPa。与其配套的金属涡轮盘的最大Mises等效应力为136MPa,远低于其屈服强度1220MPa。表明本文设计的CMCs涡轮转子叶片能够满足室温下的静强度要求。本文还得到了与CMCs涡轮叶片结构设计相关的一些结论,包括:(1)叶身与榫头中面扭转不可过于剧烈以免SiC纤维在成型过程中因为过度弯曲而断裂;(2)采用铺层形式的预制体可以满足强度要求;(3)插片法形成的燕尾形榫头和缝合工艺制备的下缘板在室温离心力载荷下能够满足强度要求。
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