涡轮叶片耦合疲劳寿命预测与试验验证

为了解决涡轮转子叶片在温度、离心力和气动/噪声联合载荷作用下的疲劳强度问题,开展了高低周复合载荷谱分解方法和基于高低周载荷的全时域蠕变损伤累积模型研究,提出了同时考虑蠕变损伤、低周疲劳损伤和高周疲劳损伤的耦合疲劳寿命预测方法。同时,通过正交载荷解耦和耦合载荷协调加载控制等关键技术的应用,开发了高温环境下的高低周复合疲劳试验平台。最终,基于设计的涡轮叶片模拟件,完成了耦合疲劳寿命预测和试验验证。结果表明:模拟试件的耦合疲劳寿命试验结果分散系数为1.01,耦合疲劳寿命的预测结果与试验结果偏差小于24%,从而验证了疲劳寿命预测模型的正确性,为我国航空发动机热端部件的疲劳强度设计和验证提供了有效的技术途径。      

基于最差件等寿命曲线的桨轴高低周复合疲劳寿命分析

以Goodman曲线为基础,构造了考虑应力集中系数和疲劳极限强度分散系数影响的最差件等寿命曲线,然后基于最差件等寿命曲线建立了桨轴高低周复合疲劳寿命分析方法,用于预测桨轴的安全寿命,并给出了预测方法的适用范围为低周103～105次循环。采用此方法对两种载荷下的某型航空发动机桨轴进行了高低周复合疲劳寿命预测,并与试验结果进行了对比。结果表明:基于最差件等寿命曲线的桨轴高低周复合疲劳寿命分析方法成功预测一组安全寿命低于低周1 000次循环的载荷,且另一组载荷预测结果也与试验结果相吻合,预测方法是可行的。      

2024-T3铝合金孔板高低周复合疲劳试验研究

对2034-T3铝合金孔板试件进行了高低周复合疲劳性能试验,研究高低周循环次数比对复合疲劳寿命的影响,建立了高低周循环次数和应力幅比与高低周复合疲劳寿命之间的关系式,并对现有损伤累积模型的适用性进行了分析讨论。试验和分析结果表明：随着高低周循环次数增大,复合疲劳寿命有显著的降低,复合疲劳寿命与高低周循环次数比呈对数线性关系。现有的累积损伤准则对试验结果的预测偏于危险,非线性累积损伤准则优于线性累积损伤准则。     

高低周复合载荷对TC11钛合金疲劳性能的影响

为了解高周振动应力对TC11钛合金疲劳性能的影响,进行了TC11的低周疲劳、高周疲劳、以及高低周复合疲劳试验.试验结果表明:高低周复合循环降低了TC11钛合金的抗疲劳性能;复合循环载荷中,高周平均应力水平 σ _major和应力比 R _minor对高低周复合寿命有较大的影响.采用扫描电子显微镜(SEM)比较分析了不同类型载荷下的断口宏观和微观形貌特征,高低周复合疲劳断口与高周断口有较明显的区别,高低周复合载荷中的低周循环引起的较大滑移是引起疲劳寿命降低的主要原因.      

低周载荷对高周裂纹裂尖塑性区的影响

为探明高低周复合疲劳裂纹扩展中高低周载荷交互作用机理,采用弹塑性有限元模型模拟了含中心裂纹试件在高低周载荷交互作用下裂尖塑性区的变化.结果表明:低周载荷的卸载作用导致高周载荷对应的裂尖反向塑性区明显减小,裂纹闭合水平也因此降低,进而加速裂纹扩展,致使高低周复合疲劳裂纹扩展寿命降低.在此基础上,对比研究了低周载荷应力比、高周载荷应力比、高低周载荷循环比对裂尖反向塑性区的影响.结果表明:随着低周载荷应力比降低、高周载荷应力比增加,循环比的减少,均导致低周载荷的卸载作用增加.      

高低周载荷作用下燕尾榫结构的微动疲劳寿命预测

为预测在高周和低周载荷共同作用下,燕尾榫连接结构的微动疲劳寿命,采用高低周等效应力比代替传统经验预测模型中的等效应力,并考虑到摩擦功的影响,对微动疲劳寿命预测经验模型进行改进。通过燕尾榫连接结构的高低周微动疲劳试验,拟合了改进微动疲劳寿命预测模型中的三个系数;采用该模型对相关文献中的燕尾榫连接结构微动疲劳试验结果进行预测,结果表明,微动疲劳寿命预测的最大误差降低了约50%。     

变幅载荷对高温合金裂纹萌生及扩展寿命的影响

为了更好地分析航空发动机用高温合金裂纹萌生阶段的变幅载荷对高温材料的低周疲劳裂纹萌生及扩展寿命的影响,将低周疲劳的裂纹萌生过程视作损伤累积过程,基于连续损伤力学建立了低周疲劳损伤累积模型.结合室温下GQGH4169合金的裂纹扩展试验数据,通过有限元建模计算和数值分析方法确定了模型中具体的损伤参数数值,并对裂纹萌生寿命进行了预测.结果表明:该方法不但能准确地预测变幅加载下CT试样的裂纹萌生寿命,而且能很好地反映萌生阶段变幅载荷对裂纹扩展寿命的影响,而且降低了试验成本.     

基于应力循环特征的裂纹萌生寿命预测方法

以两种镍基高温合金的应力循环特征为基础,即粉末高温合金FGH95的循环硬化继而软化及变形高温合金GH4169的循环软化特性,寻求载荷历程相关的损伤参量,进而建立应力弱化损伤模型,以考虑载荷历程对疲劳寿命的影响.建立的应力弱化损伤模型可以较好地预测不同循环载荷条件下的疲劳寿命,其预测精度不低于传统方法,且优势在于使建立模型所需要的试样数量大大减少.      

考虑服役微结构状态的镍基合金低周疲劳寿命预测方法

定向凝固/单晶镍基合金在服役过程中受高温、外载和时间的复杂影响会发生微结构退化,从而导致其低周疲劳性能降低.为了预测微结构退化镍基合金的低周疲劳寿命,探索材料微结构退化导致疲劳寿命缩短的机理,假定材料在标准热处理状态下承受更大载荷而不改变材料在给定载荷下的疲劳损伤机制和规律,基于连续损伤力学和应变能密度理论建立了考虑微...     

涡轮叶片复合疲劳特性曲线及其规律的试验

为了解高周振动载荷对于涡轮叶片高温疲劳性能的影响,对某型涡轮叶片进行高低周复合疲劳试验.试验结果表明,在低周载荷基础上叠加高频振动载荷,显著缩短了叶片的疲劳寿命;复合疲劳的分散性很大,且不存在疲劳极限,当叶片高周循环次数超过107时,继续试验叶片仍会发生断裂;在双对数坐标下,叶片的振动应力与其高周循环寿命成线性关系,即复合疲劳特性曲线(应力-寿命曲线、概率-应力-寿命曲线)服从双对数线性规律,进一步研究发现该规律对于高温合金材料的复合疲劳特性曲线具有普遍性.      

涡轮转子叶片低循环疲劳/蠕变寿命的预测

根据某型涡喷发动机计算状态叶片流场计算结果，对该发动机高压涡轮转子叶片进行了热分析；并根据某典型飞行科目的三循环载荷谱，对该科目进行了载荷等效转换以及弹塑性应力分析，得到了该科目的低循环疲劳寿命和蠕变寿命；还考虑了平均应力的影响，给出了不同平均应力修正方法下该科目的总损伤。     

考虑蠕变和应力松弛的发动机高温构件寿命分析方法

建立了考虑蠕变和应力松弛的航空发动机涡轮叶片等高温构件的持久寿命和低循环疲劳寿命预测方法。用该方法对某型发动机低压涡轮工作叶片在实际飞行载荷谱作用下的持久寿命和低循环疲劳寿命进行了分析。研究结果表明,所建立的寿命预测方法是合理可行的。      

等离子涂层涡轮导向叶片热疲劳寿命预测研究

针对等离子涂层涡轮导向叶片材料的变形特点,引入了粘塑性本构模型.进行了涂层高温氧化实验、带涂层构件热疲劳实验及有限元模拟研究.基于研究结果,建立了可以体现氧化损伤与热疲劳损伤耦合效应的寿命预测模型.计算分析了带涂层涡轮导向叶片的稳态温度场、涂层隔热效果和基于宏观尺度的应力应变场,研究了宏、细观有限元计算结果间的转换关系,提出了等效系数的方法,对涡轮导向叶片表面涂层的热疲劳寿命进行了预测.寿命预测结果合理,方法可行.      

Prediction of combined cycle fatigue life of TC11 alloy based on modified nonlinear cumulative damage model

The nonlinear cumulative damage model is modified to have high prediction accuracy when the high-low cycle stress frequency ratio m is large (m ≥ 500). The low cycle fatigue (LCF) tests, high cycle fatigue (HCF) tests and combined high and low cycle fatigue (CCF) tests of TC11 titanium alloy were carried out, and the influencing factors of CCF life were analysed. The CCF life declines with the decrease of the ratio of high-low cycle stress frequency m. Both linear and nonlinear cumulative damage models are used to predict the CCF life. The CCF life prediction error of the linear cumulative damage model is great and the predictions tend to be overestimated, which is dangerous for engineering application. The accuracy is relatively high when the high-low cycle stress frequency ratio m ≤ 500. The accuracy of nonlinear cumulative damage model is higher than that of linear model when the high-low cycle stress frequency ratio m ≥ 500. Based on the relationship between high cycle average stress σ_major and material yield limit σ_p,0.2, a correction term is added to the nonlinear cumulative damage model and verified, which made the modified model more accurate when m ≥ 500.     

考虑冲击缺陷的钛合金板的疲劳寿命预估

基于连续损伤力学理论,研究了含冲击凹坑缺陷的Ti-1023钛合金板的疲劳损伤问题。通过分析冲击损伤与疲劳损伤的共同作用以及应力场与损伤场的耦合作用,对含冲击凹坑的钛合金板的疲劳寿命进行了预估。首先,基于连续介质运动学理论,采用非线性动力学有限元分析软件进行冲击损伤的模拟,得到冲击凹坑处的残余应力场与塑性应变场。其次,根据塑性损伤方程,计算冲击凹坑局部的初始损伤场,并将其作为后续疲劳计算的初始条件。然后,采用Chaudonneret的多轴疲劳损伤力学模型建立损伤力学-有限元数值解法,以进行损伤演化过程的数值计算。最后,综合考虑残余应力场、塑性初始损伤和疲劳损伤的共同作用,对含冲击凹坑的钛合金板进行了疲劳寿命预估,并进行了相应的疲劳验证试验。结果表明,预估结果与试验结果相一致。所做研究为工程中采用损伤力学方法来预估含冲击损伤的结构的疲劳寿命提供了一种可行的方法。     

民用发动机附件风扇叶轮疲劳寿命数值分析

叶轮疲劳寿命是影响风扇寿命的关键因素,鉴于风扇叶轮低循环疲劳试验周期长、成本高,在叶轮结构前期设计时,对某型叶轮低循环疲劳寿命进行数值分析,根据仿真分析结果初步预估叶轮寿命,给后期的叶轮疲劳寿命试验提供一定参考依据。仿真主要通过对风扇流场、叶轮强度、疲劳及叶轮模态进行分析,得出风扇流场和结构气动载荷下分布云图、叶轮离心、气动、离心气动耦合载荷下应力云图及叶轮前六阶模态云图。结果表明：离心叶轮工作时受到主要载荷为高速旋转时离心载荷,气动载荷对叶轮结构的影响相对较小;在离心气动载荷耦合的情况下,叶轮在19 955 r/min工作转速下的vonMises等效应力及最大应力为21.25 MPa,远小于叶轮结构材料2A70 T6屈服强度204 MPa和疲劳强度102.6 MPa,评估出叶轮结构在整个寿命期内不会发生屈服失效、疲劳失效,能够满足60 000次低周循环疲劳寿命的要求。在静态分析基础上探讨了不同转速下叶轮的动态特性,并绘制叶轮模态特性随转速变化的Campbell图,给出共振风险点,为后续综合考虑动态、静态特性对叶轮疲劳寿命影响奠定基础。