《各向异性晶体学强度寿命理论和可靠性综合设计方法》

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该项目属于动力机械工程学科基础研究领域。涡轮叶片是航空发动机的“第一关键件”,有“一代涡轮叶片,一代航发”之说。迄今国际上所有的先进航发都采用镍基单晶涡轮叶片。由于只有一个晶粒,不同取向的疲劳、蠕变寿命存在数十、甚至数百倍的差别;同时晶体取向有一点变化性能会发生较大的差别,表现为明显的晶体各向异性和取向敏感性。涡轮叶片工作环境恶劣、结构复杂,其强度寿命分析和可靠性综合设计是国内外航发的核心难点。在国家自然科学基金、科技部863计划等项目支持下,经过20多年的研究,形成了较为系统的理论方法,支撑了我国航发的发展。主要发现点为:

发现点一:系统揭示了晶体各向异性和取向敏感性的细微观机理,建立了晶体学强度寿命理论。揭示了不同晶体取向、温度、载荷状态下的滑移系开动规律:揭示了筏化形成、解筏的演化机理及影响规律,准确描述了晶体各向异性;通过确定滑移系开动类型和建立非Schmid效应模型,揭示了晶体取向敏感性机理;针对叶片气膜孔、榫齿接触、薄壁结构等结构特征,建立了基于细微观结构演化、考虑材质劣化、表面质量和缺陷耦合损伤并经过广泛试验验证的弹塑性-蠕变-高低周疲劳-热机械疲劳等服役工况下晶体学强度寿命理论方法。

发现点二:提出了系统的模拟服役环境下晶体学强度寿命理论的试验验证与考核方法。系统建立了基于晶体滑移理论的压痕蠕变、压痕疲劳、压痕相变的理论方法:设计并建立了温度梯度、叶片切割小试样、双剪切试样、旋转试验、模拟叶片等模拟服役环境的试验验证与考核方法。

发现点三:建立了涡轮叶片复杂结构系统全局灵敏度理论,提出了多失效模式可靠性高效分析与设计方法。提出了全局及区域灵敏度指标体系和一般隐式输入-输出关系条件下高效稳健算法;提出失效模式重要度分析理论;提出可靠性模型的降维理论;提出了子集模拟、重要性抽样与自适应Kriging代理模型相结合的高效可靠度求解方法:开发了相应的可靠性与敏度分析设计软件。

发现点四:建立了强耦合条件下涡轮叶片可靠性综合设计优化理论与方法。系统建立了多学科设计优化解耦与重构机制的新原理和多点取样算法:建立了串行、并行多学科设计优化理论及方法、基于效率与精度权衡策略的多学科不确定建模及多目标优化理论;开发了相应的多学科分析与设计软件。

在IJP、JMPS、Acta Mater等工程技术类顶级期刊上8篇代表性论文,SCI他引频次221次,他引总频次284次。核心成果受到了美国科学院院士A.Needleman、G.Olson,美国工程院院士Way Kuo,国内9位院士以及11位ASME会士引评。提出的各向异性晶体学强度寿命理论与软件应用于我国4个型号发动机单晶叶片,成为唯一的工具;开发的敏度与可靠性分析设计软件已用于26个型号;开发的多学科设计软件也已经用于4个型号,均取得较好的效果。部分成果曾获陕西省科学技术一等奖1项、二等奖1项,国防科技进步二等奖2项。取得专利4项,软件著作权52项。

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