A 10.000 metros de altura, cuando el gran avión de pasajeros C919 atraviesa las nubes a 900 kilómetros por hora y el avión de combate J - 20 atraviesa el cielo supersónicamente, su Potencia central, el compresor y las palas de turbina del aeromotor, está soportando las pruebas más duras de la civilización industrial humana: quemaduras de gas por encima de 1.700 grados celsius, tracción de fuerza centrífuga por decenas de miles de revolución por minuto, múltiples impactos de vibraciones de alta frecuencia y corrosión por oxidación. Y una hoja de turbina de solo unos centímetros de espesor, si falla debido a daños, puede causar que todo el motor se detenga e incluso causar consecuencias catastróficas.

¿¿ Cómo predecir y controlar con precisión la evolución del daño de las palas en un entorno de acoplamiento "oxidación a alta temperatura - Fuerza centrífuga"? Este problema de "cuello atascado" que afecta al campo de la fabricación aeronáutica mundial está siendo superado uno por uno por la empresa tecnológica China Shanghai hexiao one con un sistema tecnológico innovador independiente.

¿Punto doloroso directo: ¿ por qué la oxidación a alta temperatura y la fuerza centrífuga son la "combinación fatal" de hojas?

El entorno de trabajo de las palas de los Aeromotores se puede llamar un "maestro de las condiciones de trabajo extremas":

Oxidación a alta temperatura: aunque las hojas del compresor no entran en contacto directo con el gas de alta temperatura de la Cámara de combustión (la temperatura es de unos 300 - 500 grados celsius), están expuestas al aire comprimido que contiene oxígeno durante mucho tiempo, y los metales de la superficie producirán reacciones de oxidación, formando una capa de oxidación frágil; Las palas de la turbina, por su parte, se enfrentan directamente al flujo de gas de 1500 - 1700 ° c, incluso si se protegen con superaleaciones monocristalinas + recubrimientos de barrera térmica, la oxidación todavía erosionará lentamente la matriz, lo que provocará la pérdida de materiales y la disminución de las propiedades mecánicas.

Daño por fuerza centrífuga: las hojas de la turbina están conectadas a la ruleta a través de tenones de raíces de hojas. bajo rotación de alta velocidad (velocidad de rotación superior a 30.000 rpm), la tensión centrífuga soportada por las raíces de las hojas puede alcanzar el 60% - 80% de la resistencia al rendimiento del material, y la carga cíclica a largo plazo puede causar fácilmente grietas de fatiga de ciclo bajo; Lo que es más peligroso es que el material suavizado a alta temperatura es más sensible al crecimiento de la grieta, y la interfaz entre la capa de óxido y la matriz es más probable que se convierta en la fuente de la grieta.

Los estudios tradicionales a menudo consideran la "oxidación a alta temperatura" y el "daño por fuerza centrífuga" como factores independientes, que se superponen simplemente después de analizar por separado, pero en condiciones reales, los dos producirán un fuerte efecto de acoplamiento a través de mecanismos como la evolución de la microestructura del material, la reconstrucción de la distribución del estrés y el fracaso de La interfaz capa de óxido - matriz. Por ejemplo: el engrosamiento de la capa de óxido cambiará el coeficiente de concentración de esfuerzo en la superficie de la hoja y acelerará el inicio de la grieta; La deformación plástica causada por la fuerza centrífuga destruirá la integridad de la capa de óxido y promoverá la penetración de la oxidación en el interior de la matriz. Este daño de acoplamiento de "1 + 1 > 2" hace que el error de predicción de la vida útil de la hoja sea tan alto como más del 30%, convirtiéndose en un cuello de botella clave que restringe la fiabilidad y la economía del motor.

Shanghai hexiao One plan: un avance tecnológico de la "especulación empírica" al "gemelo digital"

Frente a este problema, basándose en más de diez años de cultivo profundo en el campo del análisis de fallas de materiales y la simulación de acoplamiento de campos físicos múltiples, Shanghai hexiao One ha construido el "sistema técnico de análisis de daños de acoplamiento de oxidación a alta temperatura y fuerza centrífuga" de los principales institutos de aviación de las Naciones unidas, logrando un avance en toda la cadena desde el análisis de micromecánica hasta la aplicación de ingeniería.

Tecnología central 1: Plataforma de simulación de acoplamiento de múltiples campos - "campo de pruebas virtual" para ensayar todo el proceso de daño

El análisis tradicional del daño de las hojas se basa en el "método de prueba y error": procesamiento de muestras → alta temperatura + prueba centrífuga → observación de fallos → diseño revisado, un solo ciclo de prueba de hasta 3 - 6 meses, el costo supera el millón de yuanes. La Plataforma de simulación de acoplamiento de campo físico múltiple M - couple, desarrollada independientemente por Shanghai hexiao - 1, puede reproducir con precisión el proceso de interacción dinámica de las palas en entornos de gas de alta temperatura, estrés giratorio y oxidación mediante la integración de tres módulos principales: mecánica de fluidos computacional (cfd), análisis de elementos limitados (faa) y modelo de evolución de campo de fase (phase field):

Modelado de la dinámica de oxidación: basado en los datos medidos del espesor y la composición de la capa de óxido, se introduce la ecuación de corrección de la tasa de oxidación acoplada por tres campos de "temperatura - tensión - presión parcial de oxígeno" para predecir la Ley de crecimiento de la capa de óxido y la fuerza de Unión de la interfaz En diferentes condiciones de trabajo;

Evolución del estrés centrífuga: teniendo en cuenta la influencia del arrastre del material (deformación plástica relacionada con el tiempo) en el estrés de la raíz de la hoja a altas temperaturas, combinando la no lineal geométrica de la hoja (como el contacto de tenón y la deformación de la forma de la hoja), se simula dinámicamente la amplitud de esfuerzo y las características circulares En la zona de concentración de esfuerzo;

Evolución colaborativa del daño: describir la trayectoria de crecimiento de las microclases desde la interfaz de la capa de óxido hasta la matriz a través de un modelo de campo de fase, asociando el campo de tensión macro con la degradación de la microestructura (como el debilitamiento del límite de grano y el engrosamiento de partículas de segunda fase), y finalmente exportar la ubicación de inicio de la grieta, la tasa de crecimiento y la predicción de la vida útil restante.

La Plataforma ha reducido el error de predicción de la vida útil del 35% tradicional a menos del 8% en la verificación de las palas de turbina de un determinado tipo de motor turbofan, reduciendo el ciclo de prueba en un 60%, ahorrando a los clientes más de 10 millones de yuanes en costos de I + D.

Tecnología central 2: tecnología de prueba acelerada - verificación rápida bajo "compresión de tiempo"

Con el fin de satisfacer las necesidades de puntualidad de la verificación del proyecto, Shanghai hexiao one innovó y desarrolló el "sistema de prueba de aceleración compuesta centrífuga de alta temperatura". Al optimizar los parámetros de la prueba (como aumentar la temperatura de la prueba a 1800 ° C y aplicar 1,5 veces la carga centrífuga de diseño), el tiempo natural de envejecimiento de la hoja se reduce de miles de horas a cientos de horas sin cambiar el mecanismo de daño. Al mismo tiempo, en combinación con la tecnología de monitoreo en línea (como el monitoreo del espesor de la capa de óxido por imágenes térmicas infrarrojas y la captura de señales de microcracks por sensores de emisión acústica), se recopilan datos de evolución de daños en tiempo real y se itera el modelo de simulación de retroalimentación para formar un sistema de verificación de circuito cerrado de "prueba - simulación - corrección".

En la actualidad, el sistema ha proporcionado más de 2000 horas de datos de prueba de aceleración para las palas de turbina de un modelo clave de motor en china, apoyándolas para pasar la certificación de vida útil del ciclo 1500 de la administración de aviación civil y completar la obtención de pruebas ocho meses antes de lo previsto originalmente.

Tecnología central 3: optimización colaborativa de materiales y estructuras - diseño antidaños de "defensa activa"

Shanghai hexiao one no es solo un "analista de daños", sino también un "proveedor de soluciones". Sobre la base de la investigación del mecanismo de daño de acoplamiento, el Equipo propuso una estrategia de resistencia al daño de "diseño de materiales gradientes + optimización de estructuras biónicas":

Material gradiente: utilizar "aleación antioxidante de alto contenido de cromo + recubrimiento de barrera térmica modificado por tierras raras" en la zona de la raíz de la hoja para reducir el estrés de la interfaz a través de la transición del gradiente de composición, al tiempo que utilizar el "efecto de bloqueo de oxígeno" del recubrimiento para reducir la tasa de oxidación de la matriz;

Estructura biónica: imitando la estructura en capas de "ladrillo - barro" de la cáscara, se diseñan ranuras de crecimiento resistentes a la grieta a nivel micro - nano en la superficie del cuerpo de la hoja, se guía la desviación de la grieta a lo largo de una trayectoria de bajo estrés y se reduce la tasa de crecimiento de la grieta en más del 40%.

Después de la optimización de la hoja del compresor de un motor Turboeje por el esquema de eficiencia de carga de shanghai, en la prueba de fatiga de alta temperatura y Alto ciclo, el tiempo de inicio de la grieta se extendió de 500 horas a 1200 horas, alcanzando el nivel avanzado internacional de productos similares.

De laboratorio a cadena industrial: la "filosofía de aterrizaje tecnológico" de Shanghai He Xiao - 1

En la base de I + D de Shanghai Lingang en hexiao one, shanghai, está llena.profesionalEn la pared del certificado y el informe de certificación, el eslogan "escribe la tesis en el equipo y deja los resultados en el taller" es particularmente llamativo. A diferencia de la simple "salida tecnológica", Shanghai hexiao one presta más atención a la vinculación profunda con los clientes: desde la evaluación del riesgo de daños en la etapa de diseño, hasta las recomendaciones de optimización del proceso en la etapa de fabricación, pasando por los servicios de monitoreo del Estado en la etapa de servicio, su equipo técnico participa en todo el Proceso para lograr verdaderamente la "gestión de la salud durante todo el ciclo de vida".

Como dijo Li hongyu, Director Técnico de Shanghai hexiao one: "la seguridad de los motores aeronáuticos no puede tolerar ninguna 'hipótesis teórica'. cada una de nuestras tecnologías debe pasar por la triple verificación de 'simulación - prueba - instalación' para garantizar que los clientes no solo obtengan informes de datos, sino también soluciones' aterrizables y confiables'".

Conclusión: proteger el "corazón chino", Shanghai hexiao One ha estado en el camino

Desde el "corazón" del C919 hasta la Potencia del J - 20, desde la aviación militar hasta la navegación civil, el camino hacia la autonomía de los motores aeronáuticos chinos no puede separarse de los avances tecnológicos de cada "pequeño componente". Con el "análisis de daños de acoplamiento de oxidación a alta temperatura y fuerza centrífuga" como punto de apoyo, Shanghai hexiao - 1 no solo aprovecha el aumento de la vida útil de las hojas, sino que también es un salto de "energía, fácil de usar y duradero" para los equipos de Aviación chinos.

En el futuro, con la profundización de la cooperación entre Shanghai hexiao - 1 y los principales institutos nacionales y extranjeros, su tecnología de análisis de daños de acoplamiento se expandirá a temperaturas más altas (por encima de 2000 grados celsius) y condiciones de trabajo más complejas (como velocidad variable y carga variable), proporcionando un soporte técnico más fuerte para la investigación y el Desarrollo de una nueva generación de motores de alta relación de empuje y combustible de hidrógeno.

Debido a la especialidad, es confiable.

Shanghai hexiao one está escribiendo una leyenda confiable que pertenece a la fabricación inteligente China en el "campo de batalla micro" de los motores aeronáuticos con la innovación tecnológica como pluma.