题目：过渡过程中旋转轮盘热应力演化机理研究

    航空发动机运行在非设计点的状态变化过渡过程中，表现出故障高发的现象，常造成严重的飞行事故。其中，涡轮盘作为航空发动机的寿命限制件(Engine life-limited part, ELLP)之一，除了承受离心负荷外还承受着具有强瞬变特征的边界热载荷，其失效和破裂往往引起发动机灾难性的事故。从安全性分析的角度来看，通过降低涡轮盘的失效概率能够有效地提高航空发动机整机安全性水平。因而，过渡过程中涡轮盘的应力演化机理及其热管理技术逐渐成为航空发动机安全性研究领域的重要方向。目前，在我国的发动机研制过程中，涡轮的设计与验证主要针对有限个稳态工况点而进行；缺乏考虑热端旋转部件在过渡过程所承受的多变的应力循环，是造成涡轮盘失效概率增加的重要原因之一。同时，以减缓轮盘热应力为目标的涡轮盘热管理技术受到冷却空气消耗量限制的制约，难以满足涡轮盘在过渡过程中的安全性要求。因此，本文以过渡过程中涡轮盘的安全性保障为研究背景，通过理论分析、实验研究和数值模拟相结合的方法，探索旋转轮盘过渡过程中热应力的演化机理，讨论边界热载荷对旋转轮盘温度分布、等效应力及其安全裕度随时间变化历程的影响规律，为实现在涡轮盘设计流程中引入过渡过程的安全性分析提供参考。
    针对旋转轮盘瞬态热弹性问题，通过无量纲分析获得了影响轮盘应力演化特性的准则数。对于承受边界热载荷的旋转自由盘，根据稳态等效应力最大值的位置以及周向应力的分布特点，将内外缘热载荷组合(Tee, Tei)划分为对应于四类轮盘应力状态的区域，通过敏感性分析得到轮盘稳态等效应力最大值及其安全裕度评价指标与各区域内边界热载荷组合的关联程度。理论推导得到过渡过程中轮盘温度、热应力以及等效应力与边界热载荷准则数的解析关系式，获得了内外缘热载荷组合作用下，轮盘温度分布、热应力、等效应力及其安全裕度随时间演化的规律。理论研究表明：
首先，在几何结构和材料属性确定的情况下，轮盘的热应力演化特性取决于与边界热载荷相关的无量纲准则数：盘面努塞尔数，内、外缘温度梯度系数，以及内外缘热载荷的相对开始时间。其次，对应于四类应力状态的内外缘热载荷组合(Tee, Tei)作用时，在过渡过程中使轮盘盘心区域形成逆向温度梯度，能够有效降低等效应力最大值的数值和提高轮盘安全裕度，并且使得等效应力最大值的位置有可能发生转移。然而，对应于第四类应力状态的某些边界热载荷组合却使得轮盘安全裕度下降。也就是说，只有在合适的边界热载荷组合范围内对传统轮盘模型进行热载荷设计，才能有效地提高其安全裕度。一旦超过该范围，反而会使轮盘的失效概率增大。并且，内缘热载荷Tei施加得越早，在过渡过程中抑制等效应力最大值增长的效果越明显，能够越早提高轮盘的安全裕度，并且对等效应力最大值的位置变化产生影响，但不影响稳态时各物理量的分布趋势。
在国内首次应用基于二维数字图像相关方法(2D DICM)的非接触式测量技术对承受边界热载荷的旋转轮盘表面变形瞬态特性进行实验研究。采用同步触发控制策略和提出旋转运动模糊(RMB)的评估模型及其修正方法，确保基于2D DICM的旋转轮盘平面变形测量技术能够获得准确的测量数据。通过与理论结果比较，分析盘面换热条件简化假设在轮盘温度和应力在过渡过程中的影响。由于实验轮盘盘面换热效果呈现“中心低外缘高”的分布特点，与基于平均努赛尔数Nuave的理论分析结果相比，起到增强内缘热载荷和减弱外缘热载荷的作用，使得内、外缘附近区域的等效应力值均比理论分析结果偏小。总的来说，实验得到的变化规律与理论分析结果一致，证明了边界热载荷能够提高传统轮盘模型在过渡过程中的安全裕度。
建立基于流固单向耦合(One-way FSI)的轮盘边界热载荷瞬态分析方法，讨论得到在中心进气简单转静系旋转盘腔中，通过改变进气雷诺数Re能够引起盘面局部努塞尔数分布形式的变化，从而影响内外缘热载荷对轮盘过渡过程中应力及其安全裕度的作用效果。进一步地，初步探索并表明边界热载荷对提高处于发动机起动过程中旋转轮盘安全裕度的可行性：针对发动机起动过程中外缘承受第一类热载荷的旋转轮盘，于其内缘施加热载荷能够有效地降低等效应力最大值和提高轮盘的安全裕度。