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

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。

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。