發(fā)布時(shí)間：2020-06-10 09:06

【摘要】：航空發(fā)動(dòng)機(jī)被譽(yù)為“工業(yè)皇冠上的明珠”,是體現(xiàn)國(guó)家核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要標(biāo)志。高壓渦輪葉片將燃?xì)鉄崮苻D(zhuǎn)化為動(dòng)能,是發(fā)動(dòng)機(jī)中承溫和承載最為苛刻的核心部件,也是制約發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的短板。而熱障涂層(Thermal Barrier Coating,TBC)是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)可以有效阻礙燃?xì)馀c葉片基體之間的熱傳遞以大幅降低葉片基體溫度,是顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比、熱效率和服役壽命最切實(shí)可行的辦法。本文提出了利用模型法渦流檢測(cè)實(shí)現(xiàn)熱障涂層厚度無(wú)損測(cè)量的新方法,推導(dǎo)并構(gòu)建了熱障涂層厚度測(cè)量模型,搭建了渦流檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),提出了基于模型的厚度檢測(cè)方法,研究了模型校準(zhǔn)方法,最后借助蒙特卡洛算法對(duì)模型的檢測(cè)精度進(jìn)行了可靠性評(píng)價(jià)。主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)如下:首先,依據(jù)麥克斯韋方程組和矢量磁位推導(dǎo)了多匝線圈激勵(lì)下單層導(dǎo)電結(jié)構(gòu)渦流場(chǎng)的積分解析模型,借助疊加原理建立了多層導(dǎo)電結(jié)構(gòu)渦流場(chǎng)的積分解析模型。同時(shí),為確定檢測(cè)模型的準(zhǔn)確性,利用Ansys Maxwell對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值驗(yàn)證;接著,通過(guò)仿真對(duì)阻抗信號(hào)的影響因素進(jìn)行了探究。其次,制作了熱障涂層試件,搭建了渦流檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于FPGA的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),該平臺(tái)由硬件部分和軟件部分構(gòu)成。硬件部分包括FPGA控制模塊、探頭驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)處理模塊、電源模塊、無(wú)線通信模塊;軟件部分由上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件組成,下位機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)接收檢測(cè)探頭信號(hào),控制檢測(cè)信號(hào)的傳輸和處理;而上位機(jī)的主要功能是協(xié)調(diào)處理整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)作。再者,提出了基于解析模型的熱障涂層厚度檢測(cè)方法,并進(jìn)行了優(yōu)化策略選擇,確定下山單純形算法為求解方法,而后對(duì)熱障涂層進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,將所測(cè)阻抗代入厚度檢測(cè)算法,結(jié)果表明檢測(cè)誤差較大;利用模型仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方式,對(duì)模型誤差和阻抗信號(hào)的關(guān)系進(jìn)行了探究,并在此基礎(chǔ)上提出了基于校準(zhǔn)系數(shù)的方法來(lái)對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn),提高了檢測(cè)精度。最后,運(yùn)用蒙特卡洛算法對(duì)熱障涂層厚度檢測(cè)方法進(jìn)行了不確定度評(píng)估,結(jié)果表明,當(dāng)檢測(cè)信號(hào)服從高斯分布時(shí),厚度檢測(cè)結(jié)果也近似服從高斯分布,陶瓷層和粘結(jié)層厚度均值與真值一致,而標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.0056和0.0035,不確定性分析結(jié)果驗(yàn)證了對(duì)本文檢測(cè)算法的可靠性。本文的研究為熱障涂層厚度檢測(cè),檢測(cè)模型構(gòu)建、校準(zhǔn)方法探究、可靠性評(píng)估等方面均有涉及,具有重要的理論與應(yīng)用價(jià)值。
【圖文】：

1 Introduction1.1 課題背景及意義(Background and Significance)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集成了熱學(xué)、材料學(xué)、動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等高精尖學(xué)科，是國(guó)家工業(yè)實(shí)力的體現(xiàn)，代表著國(guó)家科研實(shí)力的最高水平。其中，葉片部分將熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，直接接觸高溫燃?xì)�，故�?duì)其承溫能力有極其苛刻的要求。但是，即使是最先進(jìn)的高溫合金，也無(wú)法達(dá)到其溫度要求，故提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的承溫能力是發(fā)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)事業(yè)亟待解決的問(wèn)題。熱障涂層（Thermal Barrier Coating, TBC）噴涂在渦輪葉片表面，避免了葉片基體合金與高溫燃?xì)庵苯咏佑|，可以有效的降低到達(dá)基體合金燃?xì)獾臏囟�，另外，由于不是直接接觸，故在一定程度上防止了高溫燃?xì)鈱?duì)葉片的侵蝕[1,2]。因此，熱障涂層是當(dāng)前保護(hù)葉片基體合金最有效的方法。TBC 主要由陶瓷層（TopCoating,TC）、金屬粘結(jié)層（BondCoating,BC）和鎳基高溫合金基體組成，如圖 1-1 所示[3]。

圖 1-2 論文結(jié)構(gòu)框圖Figure 1-2 Structure of the paper1.4 本章小結(jié)(Summary)(1) 介紹了課題的研究背景和意義；(2) 簡(jiǎn)單介紹了熱障涂層的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀；(3) 給出了論文的主要內(nèi)容及章節(jié)安排。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V23

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2706082