航空发动机旋转部件积冰粘附机理研究

摘要

当飞机在结冰气象条件下飞行时，航空发动机一些部件表面会发生积冰现象。积冰会影响发动机进气流场，降低气动性能；甩脱的积冰可能打坏风扇叶片甚至压气机部件，影响飞行安全。积冰的粘附强度是影响部件表面积冰冰形和甩脱特性的重要因素，因此研究积冰在材料表面的粘附强度对优化航空发动机部件设计、保障飞行安全有重要意义。
　　本文以内聚力模型理论和扩展有限元方法作为理论基础，通过实验测量和数值模拟相结合的方法对积冰粘附特性进行研究。
　　实验测量部分，利用水杯法在万能拉伸试验机上分别测量了铝板、石墨烯涂层铝板、钛合金板、黄铜板表面积冰的法向和切向静态粘附强度；利用自行设计的旋转装置测量了钛合金板表面积冰在纯法向、纯切向以及混合载荷下的动态粘附强度。
　　数值模拟部分，利用内聚力模型和扩展有限元法建立了积冰粘附强度的有限元预测模型，同时考虑积冰/钛合金界面断裂失效和积冰内部断裂失效，预测了粗糙度表面积冰的法向和切向粘附强度，分析了不同粗糙度结构尺寸对积冰粘附强度的影响；同时预测了微纳米超疏水结构表面积冰的法向粘附强度，分析了不同尺寸微纳米结构对其表面积冰粘附强度的影响。
　　以航空发动机风扇叶片和旋转帽罩为分析对象，对这两个旋转部件表面积冰甩脱问题进行数值模拟方法的应用分析。积冰的甩脱需要满足界面断裂和积冰内部断裂两个条件，其中利用内聚力模型定义积冰和部件之间的接触单元，利用扩展有限元法高效模拟出积冰内部裂纹路径，最终得到风扇叶片表面和旋转帽罩表面积冰发生甩脱难易的位置，为实际应用中的防除冰重点位置的选择提供参考。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究进展

1.3 本文的主要工作

第二章 基本理论及验证算例

2.1 断裂力学方法

2.2 内聚力模型基本理论

2.3扩展有限元法基本理论

2.4内聚力模型的验证算例

2.5扩展有限元法的模拟验证

第三章 金属平板表面积冰粘附特性实验

3.1 多种静止金属平板表面粘附强度的测量

3.2 旋转钛合金平板表面积冰粘附强度实验

3.3本章小结

第四章 积冰粘附强度有限元模拟

4.1 不同粗糙度表面粘附强度预测

4.2 微纳米超疏水表面积冰粘附强度预测

4.3 本章小结

第五章 航空发动机旋转部件积冰甩脱的数值模拟

5.1 表面积冰甩脱区域模拟预测流程

5.2 风扇叶片表面积冰甩脱的数值模拟

5.3 旋转帽罩表面积冰甩脱的数值模拟

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 未来工作的展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的学术成果