环形燃烧室火焰筒强度寿命技术研究

论文摘要

本文的研究目的是通过理论分析、数值仿真,以及实验验证的方法来改进火焰筒强度寿命分析的建模技术、设计分析系统和评估方法。同时,根据计算得出的温度应力结果以及蠕变疲劳寿命来为燃烧室火焰筒的设计提供必要的参考,使火焰筒设计在冷却方式的选择、应力的分析和调整火焰筒壁温分布以及几何参数上有一定的依据。本文主要对燃烧室火焰筒的瞬态温度场、热应力以及高温蠕变寿命进行了数值计算。简化和分析了火焰筒几何结构、工作状况和载荷条件,建立其三维有限元计算模型。利用大型有限元软件ANSYS程序,对火焰筒结构的温度场进行动态模拟,并以有限元原理和热传导公式为基础,进行瞬态温度场的热应力分析。探讨了火焰筒温度场、应力场的分布规律。另一方面,根据火焰筒常用材料镍基高温合金GH536的单轴蠕变拉伸实验数据,运用有限元分析方法,对高温、高压下工作的火焰筒的蠕变疲劳寿命进行了计算。本文选择损伤-硬化蠕变本构模型,利用ANSYS的二次开发功能,用户可编程特性（UPFs）,将含有损伤、硬化、松弛三个阶段的蠕变方程写入ANSYS程序中,计算火焰筒蠕变应变,并由此计算出这种应变条件下的蠕变疲劳寿命。经过与标准试验算例的分析和验证,该模型对含有三个阶段蠕变的模拟取得较好的效果,并可以对有关子程序进行修改,使之能够用于其它类型燃烧室火焰筒的蠕变应变计算。因此,本文可以为航空发动机高温部件的蠕变寿命预测提供重要理论依据,同时对其他工程结构的强度及高温蠕变问题也具有实际的参考意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究状况
• 1.2.2 国内研究状况
• 1.3 论文研究方法
• 1.3.1 孔边热应力研究
• 1.3.2 高温蠕变寿命研究
• 1.4 研究内容
• 第二章 有限元基础与用户程序特性
• 2.1 ANSYS 软件介绍
• 2.2 ANSYS 的二次开发
• 2.2.1 用户程序特性（UPFs）介绍
• 2.2.2 用户程序特性（UPFs）用法
• 2.2.3 程序语言用法
• 2.3 有限元中的热-力耦合问题
• 2.3.1 瞬态温度场有限元格式
• 2.3.2 温度应力场有限元格式
• 2.3.3 有限元中的耦合问题求解
• 2.4 有限元中的蠕变分析
• 第三章 燃烧室火焰筒的三维建模
• 3.1 火焰筒结构的工作环境
• 3.2 火焰筒三维建模与网格离散
• 3.2.1 火焰筒实体结构
• 3.2.2 火焰筒简化模型
• 3.2.3 网格离散
• 3.3 火焰筒材料和边界条件
• 3.3.1 火焰筒材料
• 3.3.2 边界条件
• 3.3.3 计算中考虑的载荷条件
• 第四章 火焰筒强度分析
• 4.1 引言
• 4.2 温度场热应力计算方法
• 4.2.1 热传导的偏微分方程
• 4.2.2 三维温度场微分方程
• 4.2.3 热弹塑性理论的本构方程
• 4.3 火焰筒温度场与热应力分析
• 4.3.1 瞬态温度与应力求解过程
• 4.3.2 火焰筒温度-应力结果分析
• 4.3.3 计算结果对比验证
• 4.4 本章小结
• 第五章 火焰筒蠕变寿命分析
• 5.1 引言
• 5.2 高温蠕变理论
• 5.2.1 蠕变现象
• 5.2.2 蠕变曲线及其一般特性
• 5.2.3 蠕变寿命的分析方法
• 5.3 蠕变的连续损伤力学法
• 5.3.1 蠕变与损伤力学
• 5.3.2 蠕变损伤本构方程
• 5.2.3 各种蠕变损伤理论
• 5.4 蠕变的数值计算
• 5.4.1 蠕变计算的假设
• 5.4.2 蠕变数值计算的过程
• 5.4.3 验证的必要性和方法
• 5.4.4 模型参数的确定
• 5.4.5 光滑单轴试棒的有限元验证
• 5.5 燃烧室火焰筒的蠕变寿命分析
• 5.5.1 本构方程的选择
• 5.5.2 火焰筒蠕变计算结果
• 5.5.3 火焰筒蠕变寿命
• 5.5.4 蠕变应力分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.1.1 瞬态温度场、应力场的计算
• 6.1.2 高温蠕变寿命分析
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的论文