热障涂层界面热力耦合破坏边界元法研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11602229
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    20.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0813.计算固体力学
  • 结题年份:
    2019
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2019-12-31

项目摘要

Thermal barrier coatings (TBCs) are one of the key materials for high temperature components of aircraft engines and gas turbines. Due to the large difference between the force and thermal properties for coating material and these for substrate material, and the large difference between the characteristic thickness of coating and substrate, thermal mismatch residual stress is caused between the coating and substrate. And the stress singularity near interfaces is also caused. Cracks are formed and then propagate, which tends to the interface failure. Evaluation and prediction of the interface failure of TBCs need accurate analysis of thermal stress field, the initiation and propagation of cracks. Accurate analysis of the propagation of cracks which is a stress singularity problem in the interface thermo-mechanical failure of TBCs using the finite element method. Thus in this project, the boundary element method (BEM) is applied for analysis and prediction of the interface thermo -mechanical failure of TBCs. The contents of this project are as follows. Computation of nearly singular, singular and hypersingular integrals with high accuracy and efficiency is proposed for the cross-scale analysis of BEM and accurate simulation of thermal barrier coating thermal stress distribution is performed. Then the region of stress concentration and crack initiation can be predicted. The thermo-mechanical BEM for thermoelastic crack is proposed for accurate calculation of stress intensity factor. The new extensions of crack surface and crack front are represented by NURBS. The local coordinate system of the crack front can be naturally established and the problem which the deflection angle is discontinuous can be overcome. Then the process of the interface crack propagation in TBCs can be analyzed and the life prediction is performed. The goal of this project is to present accurate, effective, general method and theoretical guidance for thermo-mechanical interface damage of TBCs.
热障涂层是航空发动机和燃气轮机高温部件的关键材料。涂层与基体材料热力性能参数及特征厚度相差很大,涂层与基体间会产生热不匹配残余应力和界面附近的奇异性应力,萌生裂纹,裂纹扩展导致界面破坏。热障涂层界面破坏评价和预测需要准确分析其热应力场、裂纹萌生与扩展。有限元法难以准确分析热障涂层界面热力耦合破坏过程中出现的裂纹扩展这类应力奇异性问题。本项目拟采用边界元法,分析并预测热障涂层界面热力耦合破坏过程。研究内容包括:精确高效的近奇异积分、奇异积分和超奇异积分算法,能准确模拟热障涂层热应力场,预测应力集中和裂纹萌生区域;热障涂层热力耦合热裂纹边界元算法,精确计算裂纹的应力强度因子;NURBS曲面来表征新扩展裂纹面和裂纹前沿,可自然建立裂纹前沿的局部坐标系,解决裂纹扩展角不连续问题,分析热障涂层界面裂纹扩展过程,进行寿命预测。目标为热障涂层热力耦合界面破坏过程分析供一种精确高效且通用的计算理论和方法。

结项摘要

热障涂层是航空发动机和燃气轮机高温部件的关键材料。涂层与基体材料热力性能参数及特征厚度相差很大,涂层与基体间会产生热不匹配残余应力和界面附近的奇异性应力,萌生裂纹,裂纹扩展导致界面破坏。热障涂层界面破坏评价和预测需要准确分析其热应力场、裂纹萌生与扩展。本项目开发了可用于模拟该结构裂纹扩展过程的边界元算法。主要研究内容包括:热力耦合边界积分方程公式推导,热力耦合边界元程序的设计和编制、并通过经典算例进行验证;研究了奇异积分的单元形状效应包括顶端大张角(大于120度)和大边长比(大于5)对奇异积分计算精度的影响,以及近奇异积分点落在积分单元不同位置对近奇异积分计算精度的影响。针对奇异积分的单元形状效应,构造了三角形单元奇异积分的子单元细分技术,可以有效减少源点偏移量对计算结果的影响,尽可能保持计算结果的稳定性。针对近奇异积分点落在单元边界附近,则考虑近奇异积分径向和环向的近奇异性,分别引入角度变换距离变换和距离sinh变换,有效提高了计算精度,减少了环向近奇异性的影响。引入Duffy变换,成功实现了近奇异性的双向分离,并构造了双向sinh(迭代sinh)变换,有效提高了计算结果的精度和稳定性;根据裂纹尖端位移展开的渐近性质,构造了二维断裂问题的裂尖单元,以及三维断裂问题的三角形单元和四边形单元裂尖单元,与双边界积分方程结合建立双边界元法新求解格式,提高了裂纹尖端附近位移、应力强度因子的计算精度;开发了双边界积分方程裂纹面上奇异积分和超奇异积分的算法,克服了奇异积分和超奇异积分单元形状效应,提高了计算精度和计算效率;针对裂纹扩展的动态过程,建立了裂纹扩展准则判别,能判定裂纹是否扩展、扩展的方向。对裂纹扩展每一个扩展过程、进行了迭代求解,准确获得了扩展过程中应力强度因子以及裂纹下一步扩展准则判断。可以为热障涂层热力耦合裂纹扩展提供一种精确高效且通用的计算理论和方法。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
A family of non-conforming crack front elements of quadrilateral and triangular types for 3D crack problems using the boundary element method
使用边界元法解决 3D 裂纹问题的一系列四边形和三角形类型的非相容裂纹前沿单元
  • DOI:
    10.1007/s11465-019-0540-3
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    FRONTIERS OF MECHANICAL ENGINEERING
  • 影响因子:
    4.5
  • 作者:
    Xie Guizhong;Zhou Fenglin;Li Hao;Wen Xiaoyu;Meng Fannian
  • 通讯作者:
    Meng Fannian
Singularity cancellation method for time-domain boundary element formulation of elastodynamics: A direct approach
弹性动力学时域边界元公式的奇异性消除方法:一种直接方法
  • DOI:
    10.1016/j.apm.2019.11.053
  • 发表时间:
    2020-04
  • 期刊:
    Applied Mathematical Modelling
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    谢贵重;钟玉东;周枫林
  • 通讯作者:
    周枫林
Calculation of stress intensity factor along the 3D crack front by dual BIE with new crack front elements
使用新裂纹前缘单元通过双 BIE 计算沿 3D 裂纹前缘的应力强度因子
  • DOI:
    10.1007/s00707-017-1875-7
  • 发表时间:
    2017-06
  • 期刊:
    Acta Mechanica
  • 影响因子:
    2.7
  • 作者:
    Xie Guizhong;Zhang Dehai;Meng Fannian;Du Wenliao;Zhang Jianming
  • 通讯作者:
    Zhang Jianming
叶片锻造有限元模拟及试验的微观组织研究
  • DOI:
    10.13330/j.issn.1000-3940.2018.04.002
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    锻压技术
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李艳芹;张德海;谢贵重;张段芹;郭长江;刘建秀
  • 通讯作者:
    刘建秀
Accurate evaluation of stress intensity factors using dual interpolation boundary face method
利用双插值边界面法准确评估应力强度因子
  • DOI:
    10.1007/s00707-019-02573-x
  • 发表时间:
    2020-02
  • 期刊:
    Acta Mechanica
  • 影响因子:
    2.7
  • 作者:
    Dong Yunqiao;Zhang Jianming;Lin Weicheng
  • 通讯作者:
    Lin Weicheng

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其他文献

A generation of special trianglular boundary element shape functions for 3D crack problems
用于 3D 裂纹问题的特殊三角形边界元形函数的生成
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Mathematical Problems in Engineering
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    谢贵重;周枫林
  • 通讯作者:
    周枫林
一种新型三角形裂尖单元及其在结构裂纹分析中的应用
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    计算力学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    周枫林;谢贵重;张见明
  • 通讯作者:
    张见明
基于扩展单元插值法二维弹性问题的边界元法分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    科学技术与工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    钟玉东;侯俊剑;谢贵重;张见明;李源
  • 通讯作者:
    李源
基于(α,β)变换和距离变换的三维弱奇异边界积分近奇异性消除方法
  • DOI:
    10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2020.042
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    固体力学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    谢贵重;董云桥;钟玉东
  • 通讯作者:
    钟玉东
基于坐标变换精确计算近奇异积分的双向sinh变换法
  • DOI:
    10.7511/jslx20200522002
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    计算力学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    谢贵重;董云桥;钟玉东;周枫林
  • 通讯作者:
    周枫林

其他文献

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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

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          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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