民用航空发动机热障涂层结构跨尺度多物理场耦合断裂机理及计算框架研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    U1933102
  • 项目类别:
    联合基金项目
  • 资助金额:
    38.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F01.电子学与信息系统
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2019
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Multiscale and multiphysics coupling fatigue fracture problems are of great concern to many disciplines and engineering fields. The physic mechanisms are very complex, which bring serious challenge to the numerical computation. The extended layerwise method (XLWM) possesses the advantages of the Layerwise theory (LW) and extended finite element method (XFEM), so the XLWM can deal with the three-dimensional crack with layer characteristic easily, and it is very suitable for the multiscale and multiphysics coupling damage and fracture problems of the plates/shells structures. For the fatigue fracture problems of thermal barrier coatings (TBCs) system in the turbine fan of aero-engine, a computational framework will be developed in this project, and considering the multiscale and multiphysics coupling of functional gradient TBCs. First of all, the multiscale extended-layerwise/solid-element (XLW/SE) model will be developed for dealing with the disparate length scales effectively. And then, the restrictive obstacle of chemical-thermal-mechanical-damage coupling for existing analysis method will be solved, so the full coupling multiphysics will be achieved. Finally, the predict model for arbitrary growth of the interface and transverse crack will be developed for the TBCs in aero-engine. The grow mechanisms and bending shape of thermal grown oxide (TGO) will be investigated, together with the accurate and reliable criteria for the onset and propagation of transverse and interface cracks as well as their interaction. The research achievements in this project are of great theoretical value for analysis, design, optimization, service life prediction and maintenance planning of the aero-engines turbine with detailed internal cooling system.
跨尺度多物理场耦合疲劳断裂是诸多学科和工程领域中的关键科学问题,物理机理非常复杂,给数值分析带来了严重挑战。扩展逐层方法兼具复合材料逐层理论和扩展有限元方法的优点,易于处理具有层特性的三维裂纹,非常适合于板壳类结构的多物理场耦合断裂问题。本项目拟以航空发动机涡轮叶片热障涂层系统的损伤与断裂问题为背景,发展功能梯度热障涂层结构的跨尺度多场耦合断裂计算框架。首先建立扩展逐层/实体跨尺度分析模型,有效地处理热障涂层与基底结构之间的尺度问题;然后解决现有分析方法在力-热-化-损伤耦合方面的瓶颈问题,实现多物理场的完全耦合求解;最后建立热障涂层中界面和横向裂纹的同时任意扩展预测模型,深入探讨热障涂层中TGO的生长机理和屈曲形态,以及界面和横向裂纹的萌生与扩展机理。本项目的研究成果对具有复杂内部冷却系统的航空发动机结构的分析、设计、优化、使用寿命预测与维修计划制定具有重要理论意义。

结项摘要

本项目从理论建模、数值计算和实验研究着手,研究了功能梯度热障涂层结构的跨尺度多场耦合断裂问题,建立了功能梯度热障涂层结构多物理场完全耦合计算方法、多物理场作用下损伤分析与预测方法以及涂层结构跨尺度分析模型,构建了适合工程应用的多物理场耦合断裂问题计算框架,解决了现有分析方法在尺度和力-热-化-损伤耦合两方面的瓶颈问题。主要研究成果包括:提出了一种含多界面和横向裂纹多层多孔介质的热-力-化扩展逐层方法,发展了一种热-力-化完全耦合的时间积分方法;建立了含裂纹和分层层合结构的稳态和动态热-力扩展逐层方法,研究了含损伤加筋和夹芯板的动态热力耦合问题,进一步建立了一种适用于夹芯板的热-力耦合扩展逐层/实体元方法,以及含多个分层结构的热-力渐进动态扩展模型;基于热-力耦合扩展逐层/实体元方法对热障涂层结构传热过程中的力学行为进行了研究,解决了含热障涂层航空发动机涡轮叶片的热-化-力耦合分析问题;建立了化-力耦合断裂分析模型,深入研究了热障涂层氧化物生长的机理和应力状态,利用大气等离子喷涂制备YSZ热障涂层,以实验手段系统研究了氧化物对涂层性能的影响规律;将扩展逐层方法应用于其他多物理场断裂问题,提出了一种适用于含多分层和横向裂纹压电层合板的扩展逐层方法,利用该方法进一步建立了含压电片复合材料层合板的耦合分析模型,提出了一种多层次、多点局部网格精化方法,用于计算具有多点微结构的局部响应,研究了蜂窝夹层板的两尺度计算问题。本项目的研究成果可为功能梯度热障涂层结构等实际跨尺度多场耦合断裂问题提供有效的数值模拟手段,可为航空发动机涡轮叶片热障涂层使用性能和服役寿命的精确预测奠定了理论基础。

项目成果

期刊论文数量(15)
专著数量(1)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
A multi-level and multi-site mesh refinement method for the 2D problems with microstructures
二维微结构问题的多级多点网格细化方法
  • DOI:
    10.1080/15376494.2019.1681036
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Mechanics of Advanced Materials and Structures
  • 影响因子:
    2.8
  • 作者:
    Dinghe Li;Zhenming Wang;Chao Zhang
  • 通讯作者:
    Chao Zhang
Numerical fracture analysis for chemo-mechanical coupling problems in multilayered porous media
多层多孔介质中化学-机械耦合问题的数值断裂分析
  • DOI:
    10.1016/j.ijmecsci.2019.105412
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    International Journal of Mechanical Sciences
  • 影响因子:
    7.3
  • 作者:
    Li D. H.;Shan W. K.
  • 通讯作者:
    Shan W. K.
Steady-state thermomechanical analysis of composite laminated plate with damage based on extended layerwise method
基于扩展分层法的带损伤复合材料层合板稳态热机械分析
  • DOI:
    10.1007/s00419-019-01617-x
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Archive of Applied Mechanics
  • 影响因子:
    2.8
  • 作者:
    D. H. Li;W. K. Shan;F. Zhang
  • 通讯作者:
    F. Zhang
Thermo-mechanical progressive analysis on multiple delaminations in composite laminates
复合材料层压板多重分层的热机械渐进分析
  • DOI:
    10.1007/s00161-021-01073-5
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Continuum Mechanics and Thermodynamics
  • 影响因子:
    2.6
  • 作者:
    D. H. Li;Z. X. Yun
  • 通讯作者:
    Z. X. Yun
Modeling, identification and optimization of damage deterioration in the bolted repaired metallic plate
螺栓修复金属板损伤恶化的建模、识别和优化
  • DOI:
    10.1080/00150193.2021.1980325
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Ferroelectrics
  • 影响因子:
    0.8
  • 作者:
    Yaogang Wu;Xing Shen;Dinghe Li
  • 通讯作者:
    Dinghe Li

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  • 作者:
    李顶河;徐建新;卿光辉
  • 通讯作者:
    卿光辉

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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