考虑应力松弛的单晶涡轮叶片蠕变疲劳寿命预测

建立了民用航空发动机单晶涡轮叶片考虑应力松弛的蠕变疲劳寿命预测方法,该方法在热弹性蠕变有限元计算基础上,综合单轴等应变松弛模型及多轴应力修正因子预测全寿命周期内的应力松弛历程,应力下限取为一次应力.利用综合时间硬化隐式蠕变方程描述蠕变变形,结合损伤雨流计数法及Morrow方程计算疲劳损伤,基于Robinson法则的分段损伤线性累积方法计算全寿命周期内的蠕变损伤,总损伤达到临界损伤时获得蠕变疲劳寿命.通过对公开的单晶材料蠕变疲劳数据的分析,临界损伤定为0.5.结果显示,考虑应力松弛的蠕变疲劳寿命是不考虑应力松弛的45.6倍.为保证可靠性而兼顾经济性,叶片寿命预测时,可先有限元循环加载n个循环,再利用所提出的方法预测2n个循环内的应力松弛历程.      

单晶涡轮叶片定向凝固过程应力场数值模拟

针对单晶涡轮叶片壁厚尺寸精度偏低和壁厚尺寸漂移大等瓶颈问题,考虑叶片定向凝固过程边界条件不精确因素,通过实际温度数据采集,采用温度场与应力场耦合的有限元模拟方法,对单晶涡轮叶片定向凝固过程进行三维动态模拟,并结合单晶气冷叶片的工作状态,对模拟结果进行定性分析,得到应力分布规律。研究结果表明:当榫头进气窗口倒圆角R=0.5 mm时,叶片最大铸造热应力出现在榫头底面四大进气窗口区域,该区域最大应力比叶身截面最大应力高28.4%;该仿真方法可准确反映单晶涡轮叶片凝固过程温度/应力动态变化,将为避免叶片出现大铸造残余应力区,预防变形工艺,提高叶片壁厚尺寸精度及尺寸稳定性,提供量化参考依据。     

TMF本构和寿命模型:从光棒到涡轮叶片

针对空心涡轮叶片，发展了考虑瞬态变温效应的热机械疲劳（TMF）本构模型和寿命预测方法。第一，以某涡轮叶片用定向凝固合金DZ125为对象，开展了光棒、缺口TMF试验，结合已有的高温疲劳试验数据，获得了相位、温度范围、应力集中等因素对TMF寿命影响规律；第二，利用材料微观组织分析手段，揭示了导致光棒和缺口TMF失效的疲劳裂纹萌生机理；第三，借助于Chaboche本构模型，进行了各向异性、变温、蠕变损伤修正，建立了考虑变温效应的循环-蠕变本构模型，实现了DZ125合金拉伸、等温循环、蠕变、疲劳-蠕变以及TMF应力应变响应的统一建模和预测；第四，发展了疲劳-蠕变-氧化损伤累积的TMF寿命模型，利用简单纯疲劳和蠕变基础数据获得了寿命模型参数，并进一步发展了名义应力法预测了缺口模拟件的TMF寿命；最后，以某涡轮叶片为对象，进行了模拟飞行载荷谱条件下的瞬态变形响应计算和叶片TMF寿命预测。     

基于归一化参数模型的涡轮盘和涡轮叶片蠕变分析

为完整描述构件3个阶段的蠕变变形计算,结合所发展的各向同性材料的归一化参数蠕变模型,进一步拓展到正交各向异性材料的归一化参数蠕变模型并进行适用性验证。应用所编制的子程序对高温材料涡轮盘和定向结晶材料涡轮叶片结构,进行了蠕变变形及应力松弛效应计算分析。结果表明：经过一定时间的蠕变变形,涡轮盘和涡轮叶片的高应力区会出现应力松弛。总体上轮盘的应力分布更加均匀,静力分析得到的轮盘中心孔、螺栓孔边和轮缘辐板过渡段处高应力区,由于存在蠕变变形,均出现较明显的应力松弛,但是盘中心孔处的应力松弛幅度较小,可能长时间处于高应力状态,应作为结构设计的危险部位重点考查;涡轮叶片也具有同样的应力松弛蠕变效应,特别是随着蠕变变形的增大,叶尖径向变形(位移)逐渐增大,在结构设计中,应考虑叶片叶尖与机匣长期工作径向碰摩而带来的不利影响。     

镍基单晶结构的蠕变损伤寿命研究

基于镍基单晶合金材质细观演化规律，提出了同时考虑筏化-解筏及夹杂空洞损伤机理的双参数蠕变损伤本构模型。该本构模型已编入ABAQUS的umat。单向应力状态试验表明它可以模拟镍基单晶结构材料的蠕变规律，特别是晶体取向相关性；利用双剪切和模拟单晶叶片蠕变试验对模型进行了考核，结果相当满意。进一步对单晶叶片的蠕变损伤寿命进行分析，叶片的三维取向优化，可以很大程度地提高叶片的蠕变寿命。     

某涡轴发动机涡轮叶片尾缘孔的蠕变-疲劳寿命预测方法

针对某涡轴发动机的涡轮叶片,建立了考虑应力松弛的蠕变-疲劳寿命分析方法。通过在黏塑性理论框架内耦合蠕变损伤,对某高温合金的非线性蠕变变形进行了数值模拟。结果表明:基于对某涡轮叶片的弹塑性-蠕变分析研究,明确了叶片上前缘和尾缘等关键部位的蠕变损伤及其演化规律,也为确定叶片上的局部危险点提供了一种方法。该模型针对弹塑性应力应变曲线计算误差小于5%,而针对蠕变曲线的模拟精度则处于材料蠕变变形固有属性分散范围内。借助于线性损伤累积寿命理论,分析得到了某涡轮叶片尾缘孔局部考虑了应力松弛的蠕变-疲劳寿命,从而为叶片寿命评价提供了更为合理、工程化应用更好的方法。      

单晶叶片应力分析方法及应用

从单晶变形机理出发,采用晶体滑移理论,给出了单晶弹塑性蠕变滑移本构模型。建立了全新的有限元列式,并用于某气冷单晶涡轮叶片弹塑料性蠕变应力分析。      

单晶涡轮叶片材料本构模型及应用研究

综述了各向异性单晶叶片强度分析和寿命预测方面的一些研究工作。这些工作包括:建立并验证了弹塑性、蠕变滑移本构模型及蠕变持久寿命预测方法;进行了不同晶体取向DD3单晶在不同温度、不同速率或不同温度、不同应力水平下的拉伸试验、蠕变、疲劳及热疲劳试验;开发了大型单晶结构有限元分析软件SLAPSC和ABAQUS的umat;用双剪切试样和模拟叶片等系列试验对模型和有限元进行考核。作为应用研究,对某发动机单晶涡轮叶片进行了强度分析和寿命预测。      

单晶材料涡轮叶片的循环蠕变分析

对ＤＤ３材料单晶涡轮叶片进行了应力循环和应力、温度同时循环下蠕变计算,得到了叶片在两种情况下的循环蠕变结果,并对两种结果和静态蠕变作了对比分析,从而为了解叶片在实际变工况下的循环蠕变行为提供了理论依据。     

一种单晶涡轮叶片热机械疲劳寿命评估方法

针对单晶涡轮叶片热机械疲劳(TMF)问题,围绕单晶涡轮叶片TMF试验,结合单晶变形、损伤理论及数值模拟,建立了一套单晶涡轮叶片TMF寿命评估方法.利用空心气冷涡轮叶片TMF试验系统,对单晶涡轮片考核截面在服役条件下所产生的交变应力场和交变温度场进行模拟,确定了裂纹萌生部位及其TMF寿命.考虑单晶涡轮叶片变形和损伤行为的特征,分别建立了基于滑移系的Walker黏塑性本构模型和基于临界平面的循环损伤累积(CDA)模型.利用上述本构和寿命模型,完成了单晶涡轮叶片TMF试验的数值模拟.结果表明:叶片理论危险点与试验结果一致,且计算寿命基本落在试验寿命的3倍分散带内.      

变载条件下镍基单晶合金蠕变本构建模方法

针对镍基单晶合金在变载条件下的蠕变计算问题,基于"等损伤"假设提出了一种用于变应力/温度条件下的硬化准则,并与耦合损伤的蠕变模型相结合.采用Arrhenius对数关系式对蠕变应变速率进行温度内插,使之能够用于给定温度范围的蠕变计算.将上述蠕变模型编写为ABAQUS/UMAT用户子程序,利用DD3,CMSX-4,DD6和...     

定向凝固涡轮叶片不同部位材料持久强度差异

为了研究定向凝固涡轮叶片因不同部位显微组织不同而引起的宏观持久强度的差异,根据典型涡轮叶片几何特征,设计了两类叶片模拟件(缘板、叶冠模拟件)和对比试件(标准平板试件),开展了持久试验及对比研究,试验结果表明:缘板、叶冠模拟件的持久寿命分别为对比试件持久寿命的94.22%和75.65%.这说明了定向凝固涡轮叶片不同部位的持久强度存在差异,这种差异需要在定向凝固涡轮叶片结构、寿命设计中加以考虑.研究结果对提高定向凝固涡轮叶片设计水平、改进定向凝固成形工艺具有重要意义.      

镍基单晶合金蠕变研究: 叶片蠕变的有限元分析

该文为镍基单晶合金高温蠕变建模研究工作的第三部分,利用前面研究已建立的蠕变材料模型及编写的ABAQUS软件UMAT子程序,选取了模型涡轮一级叶片叶身段,利用单晶DD3蠕变数据和实际叶片温度场,通过设定不同的晶体去向,分析了叶片主晶体去向偏差对叶片蠕变的影响,计算同时也给出了次向晶向偏差对分析的影响.整个分析,揭示了不同取向对叶片蠕变的影响:不同于材料的蠕变,叶片在通常控制的10°取向偏差内,蠕变分散也较大.      

DD3 单晶粘塑性损伤本构模型研究

介绍了建立DD3单晶高温合金本构模型的理论和过程,详细推导了DD3单晶损伤演化方程,简要分析了模型的组成和特点。简单讨论了模型材料常数的标定方法,具体标定了950℃下的模型材料常数。给出了模型的预测结果和试验结果的对比曲线,从中看出,该模型能够较准确地描述DD3单晶的力学行为特点,可望用于单晶叶片的结构分析。     

镍基单晶涡轮单晶材料的细观力学研究

本文针对CMSX-4单晶材料,在细观层次上对筏化-解筏以及空穴这两种主要损伤机理进行了细观试验研究。结果表明．空穴在蠕变、疲劳和热机械疲劳损伤中起着重大的作用;蠕变过程中的筏化规律影响材料的蠕变寿命,但细观层次的筏化,影响因素较为复杂。本文的研究结果对准确评定镍基单晶涡轮叶片的剩余寿命具有参考作用。     

辐射涂层对空心涡轮叶片定向凝固组织的影响

为了得到组织细密的定向晶叶片,采用数值模拟和实验相结合的方法,对比研究了铸型表面涂挂具有较高辐射性能的石墨涂层和氧化铬涂层对空心涡轮叶片定向凝固组织的影响。理论分析表明,铸型表面辐射系数提高能够在一定程度上提高铸件顶端的温度梯度。实验结果表明,通过在铸型表面涂挂氧化铬涂层材料,显著提高了铸型表面辐射散热性能,降低了铸件顶端的一次枝晶间距。铸件顶端的一次枝晶平均间距为336 μm,较未涂挂任何涂层减小12.5%,较涂挂石墨涂层减小2.9%,定向晶组织得到显著细化。采用铸型外表面涂挂氧化铬辐射涂层的方法成形的复杂结构空心涡轮叶片定向晶组织形态良好。     

DD6单晶冷却涡轮叶片模拟试样蠕变寿命研究

研究了DD6单晶冷却涡轮叶片模拟试样中气膜孔对蠕变寿命的影响。分别对带气膜孔和不带气膜孔的薄壁圆管试样进行了蠕变测试,带气膜孔试样作为冷却叶片模拟件,不带气膜孔试样与之比较。900％与1000％的蠕变试验结果表明：在相同应力条件下,壁厚为2．0mm试样的蠕变寿命要比壁厚为1．5mm试样的长,带气膜孔试样的蠕变寿命要比不...