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系统软件实现的飞跃
浏览: 发布日期:2019-03-24

徐庆炎

1。 航空发动机涡轮叶片

2。 航空发动机涡轮盘和涡轮叶片

3。 航空发动机涡轮叶片内部结构示意图

徐庆炎

1。 航空发动机涡轮叶片

2。 航空发动机涡轮盘和涡轮叶片

3。 航空发动机涡轮叶片内部结构示意图

我们的记者任敏

航空发动机帮助飞机飞向天空,而涡轮和涡轮叶片为航空发动机提供动力。。 如果航空发动机是飞机的心脏,那么涡轮叶片就是心脏的“心房”。。 目前,具有复杂中空结构的单晶叶片广泛应用于由镍基高温合金制成的涡轮叶片中。 它的铸造工艺代表了当今最高水平的制造技术。。

单晶高温合金涡轮叶片是我国先进航空发动机发展的瓶颈之一。 存在叶片合格率低、复杂结构叶片开发困难等制造问题亟待解决相关的计算结果也可以成为一个视觉过程,并可以形成动画效果几轮之后,他联系了海淀的一家科研机构,让炉子在那里稳定下来 在我国发展的攀登过程中,国产软件打破了跨国公司的垄断,将我国单晶叶片的开发周期缩短了三分之一,为先进航空发动机的发展提供了坚实的技术支持有限公司同时,为了开发智能计算方法,他们的目标是将来只需按下一个按钮就可以实现复杂的操作并获得仿真结果和分析报告

3月初,清华大学材料研究所和中国航空发展公司北京航空材料研究所徐庆炎教授团队联合组织的“航空发动机高温合金叶片定向凝固多尺度建模仿真技术及工程应用”项目获得北京科技奖一等奖。该项目的成果已成功应用于涡轮叶片的制造

单晶叶片的制造极其昂贵名词解释

在航空发动机中,涡轮盘呈圆饼状,几个涡轮叶片固定在周围的榫卯结构中,从远处看像向日葵(责任编辑:何一华HN110 )。虽然这个小涡轮叶片的长度只有10厘米左右,但能量相当强。它能承受1800℃到1。在20,000转/分的速度下,离心力可以达到18吨的负荷,相当于一辆停在薄叶尖上的伦敦公共汽车。

高温、高压、高速,加上腐蚀的风险,这样恶劣的工作环境对涡轮叶片的材料和结构提出了极其严格的要求。

目前,涡轮叶片由镍基高温合金制成,其包含十多种元素,例如镍、铝、钴、铬、钼、铼、钽、钛、钨等。 叶片还具有薄壁、中空、三维复合弯扭、截面突变等结构特点。,最薄的地方只有0。3毫米;一彩娱乐主管复杂的内部冷却通道还包含数十至数百个小凸台/肋。

遵循古代青铜器制造方法的熔模铸造技术,可以与现代定向凝固技术相结合,制备复杂的单晶叶片——在普通熔模铸造技术的基础上,强制形成垂直温度梯度,限制晶体的生长方向, 通过籽晶法(单晶颗粒作为晶核放置在铸件底部)或晶体选择法(只有一种晶体通过螺旋选晶器)只能生长到叶片体铸件中,以确保只有一种晶体可以生长到叶片体铸件中。

然而,该工艺生产的产品容易出现各种铸造缺陷,如缩孔、杂质结晶、雀斑、取向偏差、小角度晶界等。,产率很低。然而,用于生产叶片的单晶高温合金材料的大部分组成元素是稀有金属,其中铼在地壳中比所有稀土元素都少,比钻石更难获得,价格与铂相似。因此,单晶叶片的制造成本很高,并且不能容忍制造过程中的错误。迫切需要使用模拟系统来降低测试成本。

数值模拟方法可以预测缺陷

将液态金属倒入适合零件的铸造腔中,待液态金属冷却凝固后,制成所需的制品。早在青铜时代,中国人就表现出了高超的铸造技术。然而,几千年来,金属在模具中的凝固过程是未知和不可控的。因此,一句古老的谚语流传于演艺圈——睁着眼睛造形,闭着眼睛倒酒。

自20世纪80年代和90年代以来,清华大学的刘百成教授率先尝试将计算机技术与中国传统铸造行业结合起来。他创新性地开辟了一个新的研究领域,利用计算机建模和仿真技术来提高传统铸造行业的技术水平。使用软件可以模拟铸造和凝固过程,从而改变了几千年来的旧规则。今天,刘百成已经成为中国工程院院士。他领导的数字铸造相关成果已应用于许多大型项目。清华大学材料学院教授徐庆炎曾作为骨干参加。

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大约20年前,徐庆炎等人就设想将多尺度建模与仿真系统引入汽轮机叶片制造领域,并跨越到制造业的最高领域。

单晶叶片是如何形成的? 徐庆炎描述:在定向凝固炉中,液态金属倒入陶瓷外壳中,静置一段时间后,通过特殊的提拉机构从上到下移动,从高温区进入低温区,叶片自下而上生长凝固,然后经过特殊结构的选晶器,形成单晶叶片。

与普通钢生产不同,单晶叶片要求未固化的高温合金液体沿相同方向缓慢固化,最终形成所有原子沿相同方向排列的单晶。这样,按顺序排列的材料可以承受高温。这是单晶高温合金制造的秘密和难点。单晶高温合金涡轮叶片定向凝固过程的多尺度建模与仿真系统就是为了解决这一科学难题。

徐庆炎介绍说,该项目的创新之处在于首先进行定向凝固过程的宏微观多尺度耦合建模。所建立的数值模型不仅能模拟整个叶片凝固过程的宏观温度场和微观结构,还能预测可能出现的缺陷。在数值计算方法上,他们提出了一种用射线追踪法计算热辐射的工程计算方法,可用于计算凝固过程中叶片与炉壁之间的辐射传热,进而同时求解热、质量和动量方程,预测晶体生长。这相当于为单晶叶片生成过程建立一个模拟系统。可以提前掌握一些规律和潜在风险,指导科研人员在实际操作中,避免“闭眼倒灌”。在定向凝固的关键阶段,凝固的金属枝晶通过螺旋选晶器竞争消除后形成单晶结构。

辐射换热过程中计算量大,计算效率低。为了提高效率,研究小组发明了一种新的有限差分网格存储方法。仿真软件只存储与刀片相关的有效数据,而不存储其他冗余无效数据,因此节省了76 %的内存。 此外,研究人员还发明了一种整体组织分层算法,可以在固化的同时存储数据,从而大大增加了计算规一彩娱乐登录模。

自动化课程激发创新

改革开放十年后,山东“70后”教授徐庆炎于1988年被哈尔滨工业大学录取。他想学习当时流行的自动化,但被调到铸造专业。到目前为止,回忆当时的心情,他用了五个词来形容——极不情愿,“认为铸造很土,就是翻沙。徐庆炎的团队通过大量的模拟,从晶体播种段的高度、初始角度、螺旋直径、螺旋直径等参数提出了晶体选择器的设计标准,填补了我国的空白。“去了学校,走进了高中实验室,他得知这个专业是全国最好的,实验设备也相当高中。老师还说,铸造不仅是一项历史悠久的技术,也是一项现代科学技术。里面有很多知识。! 从那以后,徐庆炎改变了他的偏见,努力学习,一口气读完了医生。

在他的研究中,他可能仍然痴迷于最初的自动化。他选修了自动化专业的课程,这帮助他实现了飞跃。

单晶叶片定向凝固过程中,提拉速度会影响叶片的结晶状态。过去,拉。这种创新的方法可以将单晶叶片的合格率提高10 %到30 %?中国航空发展公司? 建立了绘图速度自动优化模型,提出了自适应绘图技术

他们还改进了晶粒竞争生长模型,发明了晶体取向模拟方法。。。打开“铸造之星”(定向凝固模块)软件。

最左边的部分垂直排列,具有诸如材料数据库、边界条件、网格生成、壳生成、定向凝固炉结构、叶片排列等选项。最上面的部分根据计算过程分为预处理、计算、后处理等阶段。在软件中设置所需的计算参数后,可以进行模拟计算。

该软件还可以预测单晶叶片的缺陷,以便于后续工艺改进。该国产软件功能强大,不亚于国外老线同类软件ProCAST。它具有计算速度快、计算精度高、微观结构计算规模大、价格低廉的优点。。。为了验证仿真系统的效果,徐庆炎的“血钱”专门定制了一台具有先进工业生产规模的高温合金定向凝固炉,使科研成果更好地服务于工程应用。建造这个巨大的物体花了四到五年的时间,它有78米高,占地50平方米。

完工后,在哪里定居是个大问题。学校里没有合适的地方。

。。虽然炉子离清华大学十多公里,但开始实验要方便得多。徐庆炎团队中目前在研究生院学习的几乎每个人过去都做过实验,项目中的一些创新已经被这个大炉子验证过了。在徐庆炎的心目中,“做科研不仅仅是一个实验室发几篇论文。为了接近实际项目,你需要真正的设备,用真正的刀和枪来完成。

改进了实际温度场分布下晶粒生长的竞争模型,提出了晶体取向的模拟方法、螺旋选晶器结构参数的设计准则和晶体取向的控制方法。帮助将研发周期缩短三分之一。多年来,该模拟系统早已走出实验室,并已参与制造业的实际生产。该项目成果已在中国航空发展总公司北京航空材料研究所和沈阳黎明航空发动机有限公司得到应用。“。”

单晶叶片的研发周期可缩短约三分之一,具有显著的经济和社会效益

。。目前,中国已经开始全面实施航空发动机和燃气轮机重大项目。在“双引擎”项目的关键技术中,涡轮叶片制造将是重要的研究课题之一。徐庆炎透露,现有技术将在未来继续改进。一方面,提高了计算精度,为单晶叶片各种铸造缺陷的形成机理提出了更完善的模型,从而更准确地预测缺陷的形成,为优化工艺提供参考。

还计划使用超级计算机实现多个计算实例的并发操作,以提高计算效率和节省时间。。。徐庆炎兴奋地想,“人工智能和大数据如此流行,如果我们能够整合相关技术,真正实现智能工艺设计和制造,让未来单晶叶片生产工艺的研发尽可能少做实验,那就更好了。“。 ”。 除了定向凝固,后续热处理也是单晶叶片生产中的关键环节,徐庆炎的团队也在加强这方面的建模和仿真研究。

项目简介。“。”

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这是国内首个应用于国产航空发动机单晶涡轮叶片开发的软件,填补了国内空白

(该图为单晶叶片定向凝固过程示意图)。

单晶叶片。这是一种航空发动机涡轮叶片。 它通常指由镍基单晶高温合金制成的铸造叶片,仅由一个柱状晶体组成。 镍基单晶高温合金是具有单晶柱状晶体结构的合金体,含有镍、铝、钴、铬、钼、铼、钽、钛、钨等多种元素,通过定向凝固和籽晶或晶体选择技术制造。

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