航空发动机涡轮叶片失效分析的等几何边界元法

The importance of aeroengine blades is not only reflected in the impact on the overall performance of the engine, but also reflected in the direct impact on the engine's reliability, durability and life, etc. Because the working environment of the blades is very bad and the blades are subjected to high temperature, high centrifugal force, aerodynamic load and fatigue load, etc., so the blades are extremely prone to failure. Therefore, the research on the failure mechanism of the blades has important scientific and applied value. The project is to carry out the synthetic study of various aspects on the failure mechanism of thermal barrier coating for aeroengine turbine blade structure. The research contents are as follows: to set up the isogeometric boundary element method for aeroengine turbine blade structure; to conduct basic research on the isogeometric boundary element method (solutions of all kinds of integrals) and to study the effects of various factors on the failure mechanism of the turbine blade, including the material properties, voids, inclusions and interface geometry, etc. A new technique of the isogeometric boundary element method for the design, failure analysis and reliability of aeroengine turbine blades is provided.

航空发动机叶片的重要性不仅体现在对发动机整体性能的影响上，还体现在直接影响到发动机的可靠性、耐久性和寿命等方面。由于叶片所处的工作环境十分恶劣，其承受高温、高的离心力、气动载荷以及疲劳交变载荷等，使叶片极易产生失效。因此，对叶片的失效机理进行研究具有重要的科学与应用价值。本项目围绕航空发动机涡轮叶片热障涂层结构的失效机理开展多方面的系统研究，内容包括：建立适用于航空发动机涡轮叶片结构的等几何边界元法；开展等几何边界元法中一些基础性的研究（各类积分的解法）以及研究各层材料属性、空洞、夹杂以及界面几何形貌等因素对航空发动机涡轮叶片失效机理的影响。所建立的等几何边界元法将为航空发动机涡轮叶片的设计、失效分析及可靠性提供一种新技术。

本项目围绕航空发动机涡轮叶片热障涂层结构的失效机理开展了多方面的基础性研究，主要内容包括：开展了等几何边界元法中一些基础性的研究（各类积分的解法）；研究了非均质材料中微结构之间的相互作用；开展了板壳结构断裂力学的等几何有限元法研究；研究了声固耦合的等几何边界元法及其工程应用；开展了稳态及瞬态热传导的等几何边界元法研究；开展了复合材料板壳静动力学的等几何有限元法研究。重要成果有：建立了非均质材料稳态热传导及弹性问题的能量增量积分公式；建立了薄体及涂层结构的杂交近奇异积分计算方法；建立了非均质热传导问题的界面积分公式；提出了一种新的等几何边界元快速直接解法；发展了一种新型的以NURBS样条为基函数和权函数的间接边界元算法；提出了一种新型的能形成对称耦合矩阵的有限元边界元耦合算法；提出了一种基于局部细分PHT样条（层次T网格上的多项式样条）适用于含贯穿裂纹的Kirchhoff-Love板壳结构的自适应扩展等几何分析算法；首次结合基于NURBS的等几何分析（IGA）和有限元胞法（FCM），对含孔多方向功能梯度板的后屈曲行为进行了数值研究。科学意义体现在：结合社会需求，通过解决等几何边界元法在实际工程应用中的瓶颈问题，对等几何边界元法的基础理论和数值实施进行优化与完善，并将研究结果应用于分析实际问题；所建立的等几何边界元法将为航空发动机涡轮叶片的设计、失效分析及可靠性提供一种新技术。