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BNNT/Si3N4陶瓷涡轮转子反棘轮行为与结构演化损伤机制研究
结题报告
批准号:
51372101
项目类别:
面上项目
资助金额:
80.0 万元
负责人:
王守仁
依托单位:
学科分类:
E0205.无机非金属基复合材料
结题年份:
2017
批准年份:
2013
项目状态:
已结题
项目参与者:
崔焕勇、孙宾、乔阳、于航海、刘高志、张海平、宋令慧
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中文摘要
氮化硅陶瓷涡轮转子可靠性问题是制约废气涡轮增压器发展的主要瓶颈。课题利用动态试验观察与静态裂纹扩展阻力和抗热震性测量相结合的手段,拟定预制裂纹扩展量测量和超速超温实验方案,对氮化硼纳米管(BNNT)增韧补强氮化硅陶瓷涡轮的离心应力、振动应力和热应力的耦合下微观结构的演变损伤规律和性能的不可逆循环累积衰减机制展开研究,提出"反棘轮行为"概念,重点阐述BNNT近场的应力屏蔽和缓冲对消除裂纹萌生和减少裂纹扩展的反棘轮效应,阐明BNNT的反棘轮行为对消减结构演变损伤和抑制性能累积衰减的作用机制。通过涡轮叶片温度场和应力场的模拟仿真及数值分析和数理统计与计算,构建动态模拟实验条件下非稳态脉冲气流冲击的涡轮叶片抵御断裂和热力冲击损伤的循环累积反棘轮本构模型,揭示反棘轮行为对抑制性能衰退、减缓演化损伤的规律,澄清BNNT增韧补强机理,为其在非稳态热力耦合作用下的可靠性使用提供理论基础支撑。
英文摘要
Reliability of turbine rotor fabricated by silicon nitride ceramic is a major bottleneck restricting the development of the exhaust gas turbocharger.Using the research methods as dynamic tests combining with static crack propagation resistance and thermal shock resistance measurement,and applying the experimental scheme as prefabricated crack propagation measurement, overspeeding and over temperaturing test, the reliability of turbine fabricated by Si3N4 ceramics toughened and reinforced BNNT is being studied.And the negative ratchetting behavior concept was put forward. The negative ratchetting effect of BNNT which can reduce microstructure evolution damage and restrain performance cumulative deterioration was studied. By stress shielding and buffering near field of BNNT, the crack initiation is eliminated and the crack propagation is reduced.Through simulating the temperature field and stress field of the turbine blade and numerical analysis as well as mathematical statistics calculation, the negative ratchetting constitutive model of turbine blade against fracture and thermal shock damage of unsteady pulse air impact will be established. These will reveal the negative ratchetting behavior to the regular pattern of suppressing on performance recession and slowing damage evolution, clarify BNNT toughening mechanism and provide a theoretical basis of support for its reliability in non-steady-state thermal coupling.
氮化硅陶瓷涡轮转子可靠性问题是制约废气涡轮增压器发展的主要瓶颈。通过热压烧结制备出复合陶瓷试样及涡轮试样,对试样进行相关的力学性能测试,发现适量BNNT的添加能有效的细化基体陶瓷的晶粒,增加裂纹扩展的阻力,从而提升复合陶瓷的力学性能,但当其添加量过多时,BNNT容易在基体中团聚而形成缺陷,反而降低了材料的性能。课题利用动态试验观察与静态裂纹扩展阻力和抗热震性测量相结合的手段,拟定预制裂纹扩展量测量。对氮化硼纳米管(BNNT)增韧补强氮化硅陶瓷涡轮的离心应力、振动应力和热应力的耦合下微观结构的演变损伤规律和性能的不可逆循环累积衰减机制展开研究,通过数学推理建立了BNNT/Si3N4复合陶瓷抗热震数学模型的建立和疲劳寿命与裂纹扩展阻力数学模型,利用有限元模拟与仿真、数值分析与计算和实验验证,结果分析与归纳规律,修正了数学模型的正确性。重点阐述BNNT近场的应力屏蔽和缓冲对消除裂纹萌生和减少裂纹扩展的反棘轮效应,阐明BNNT的反棘轮行为对消减结构演变损伤和抑制性能累积衰减的作用机制。通过涡轮叶片温度场和应力场的模拟仿真及数值分析和数理统计与计算,构建动态模拟实验条件下非稳态脉冲气流冲击的涡轮叶片抵御断裂和热力冲击损伤的循环累积反棘轮本构模型,揭示反棘轮行为对抑制性能衰退、减缓演化损伤的规律,澄清BNNT增韧补强机理,为其在非稳态热力耦合作用下的可靠性使用提供理论基础支撑。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:DOI 10.1007/s10443-017-9627-3
发表时间:2017
期刊:applied composites materials
影响因子:--
作者:Shouren Wang;Gaoqi Wang;Daosheng Wen;Xuefeng Yang;Liying Yang;Peiquan Guo
通讯作者:Peiquan Guo
DOI:10.1016/j.apt.2017.07.006
发表时间:2017-10-01
期刊:ADVANCED POWDER TECHNOLOGY
影响因子:5.2
作者:Ge, Wenjuan;Wu, Bo;Wang, Yan
通讯作者:Wang, Yan
Surface integrity analysis in turning A03190/304 composites with network reinforcement
具有网络增强的车削 A03190/304 复合材料的表面完整性分析
DOI:10.1016/j.jestch.2016.07.017
发表时间:2016-12-01
期刊:ENGINEERING SCIENCE AND TECHNOLOGY-AN INTERNATIONAL JOURNAL-JESTECH
影响因子:5.7
作者:Qiao, Yang;Fan, Ning;Wang, Shouren
通讯作者:Wang, Shouren
Evaluation of thermal shock resistance of BNNTs/Si3N4composites based on first heat shock factor
基于第一热震因子评价BNNTs/Si3N4复合材料的耐热震性能
DOI:--
发表时间:2017
期刊:Fuhe Cailiao Xuebao/Acta Materiae Compositae Sinica
影响因子:--
作者:王守仁;王高琦;杨学锋;王砚军;乔阳;杨丽颖
通讯作者:杨丽颖
Volume models for different structures of spur gear
不同结构正齿轮的体积模型
DOI:10.1080/14484846.2017.1381373
发表时间:--
期刊:Engineers Australia Technical Journals
影响因子:--
作者:Cheng Wang
通讯作者:Cheng Wang
铝硅合金析出相自主构筑铠装表面鲁棒性与超疏水机械耐久性关联机制
  • 批准号:
    52375183
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    50万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    王守仁
  • 依托单位:
骨板仿生织构诱导多孔结构形成机制与聚维酮碘储运缓释机理
  • 批准号:
    51872122
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万元
  • 批准年份:
    2018
  • 负责人:
    王守仁
  • 依托单位:
高铁车体用网络互穿双金属复合型材棘轮疲劳行为以及结构演化与损伤机制研究
  • 批准号:
    U1134101
  • 项目类别:
    联合基金项目
  • 资助金额:
    60.0万元
  • 批准年份:
    2011
  • 负责人:
    王守仁
  • 依托单位:
国内基金
海外基金