考虑局部应力效应的轮盘子午面破裂转速预测

平均应力法用于航空发动机轮盘破裂转速预测时结果一般偏大,对于带螺栓孔的轮盘破裂转速预测误差更大。考虑局部应力效应对平均应力法进行修正,引入修正因子来表征轮盘子午面平均周向应力和危险部位局部应力对轮盘破裂转速的加权影响。通过开展典型轮盘材料GH4169的光滑试样和缺口试样拉伸试验,并开展了两件模拟盘破裂转速测量试验,得到修正因子与缺口强度比的关系,然后同时采用这两种方法对某涡轮盘的破裂转速进行了预测,并开展了验证试验。试验结果表明:平均应力法预测结果偏大,误差达到了9.4%,而考虑局部应力修正后,预测值仅略低于试验值,误差仅2.67%。考虑局部应力效应的轮盘子午面破裂转速预测方法简单可靠,具有较高的工程实用价值。      

某低压涡轮盘破裂转速分析与试验验证

为了研究轮盘破裂转速分析方法并提高破裂转速预测精度,基于有限元计算结果,采用平均应力法和局部塑性应变法对某低压涡轮盘破裂转速和破坏起始部位进行预测,并与试验和失效分析结果进行对比分析。结果表明:平均应力法和局部塑性应变法预测的破裂转速与试验结果吻合较好;局部塑性应变法预测轮盘破裂起始部位与失效分析结果吻合较好;对于研究的轮盘及其工作环境,平均应力法预测破裂转速偏低,局部塑性应变法预测破裂转速偏高;局部塑性应变法预测精度相对更高。     

轮盘弹塑性盘破裂准则的建立及变厚度轮盘破裂转速预测

建立了与材料延伸率相关的轮盘弹塑性破裂准则。为了验证所提出破裂准则的正确性,采用非线性有限元对变厚度轮盘破裂试验件的破裂转速进行了预测,并与试验结果进行了对比。结果表明,二者吻合很好。     

孔隙对3D打印功能梯度材料验证轮盘破裂转速影响分析

目前多材料融合3D打印技术对于短寿命、低成本小型发动机的研发具有很好的应用前景,如3D打印功能梯度材料在新型涡轮盘典型热端关键部件上的应用。为探究3D打印技术产生的孔隙缺陷对涡轮盘破裂转速的影响,基于极限应变法开展了500℃测试均匀温度场及真实温度场下功能梯度材料验证轮盘的破裂转速分析。研究中主要考虑孔隙率、大孔隙所处区域、大孔隙个数、孔隙间距及孔隙与起裂位置的距离等孔隙缺陷表征参量及相关因素对验证轮盘破裂转速的影响。研究结果表明,对于3D打印轮盘的性能分析,不能只考虑孔隙缺陷的随机分布,分布于高应变区（危险截面）的大孔隙将导致验证轮盘破裂转速的显著下降,在3D打印时应严格控制距离预测起裂位置较近的高应变区域内的缺陷。     

温度场对航空发动机转子超转破裂的影响

CCAR33.27超转适航要求，分析和试验确定的超转转速，必须基于温度和温度梯度的最不利组合。因此，研究温度和温度梯度对超转破裂的影响有非常重要的意义。以某型航空发动机低压6级涡轮转子为例，采用极限应变方法开展了转子部件的超转破裂分析，对比了常温和高温（红线转速对应的温度分布）下转子关键轮盘应变分布趋势和应变增长规律、预测的超转破裂的起始位置和破裂转速等轮盘超转特性；针对超转破裂分析，提出了在高温条件下，经过常温超转破裂试验验证的方法应用的有效性条件。低压涡轮转子的分析结果也显示，红线转速对应的温度状态下，轮盘超转破裂转速比常温下显著降低，而高温下材料屈服强度的大幅降低则是破裂转速下降的主要原因。     

轮盘破裂转速试验研究

“轮盘破裂转速准确预测方法及试验评定研究”作为发动机结构完整性的课题,从理论计算及试验评定两方面研究破裂转速问题,以指导轮盘设计,分析产品盘破裂故障。采用了大变形解析法作为预测轮盘破裂转速的理论计算方法[1],用来指导轮盘的设计,并用模型试验来考核这种计算方法的准确性。显然,模型试验要简便得多,成本低廉,因此可以比较大量和系统地试验各种模型盘,包括有温度梯度和几何形状各异的模型盘,以减少甚至免除产品盘试验工作量。      

修正平均应力法预测轮盘破裂转速的试验研究

基于修正平均应力法，分析了TC17钛合金压气机轮盘型面尺寸参数对径向和周向破裂转速的影响，并对破裂模式的转变进行预判。进而设计了针对径向破裂模式的轮盘试验件，并开展了TC17钛合金压气机轮盘的破裂试验。轮盘破裂试验结果与修正平均应力法计算结果吻合较好，计算的破裂转速储备与试验结果的误差由修正前的7.24%下降为修正后的0.72%，可为工程应用提供依据。     

轴流式轮盘破裂转速的数值计算方法

对3种轴流式轮盘在常温和高温下进行了非线性有限元计算,提出了一种应用有限元法计算轮盘破裂转速的破裂准则,得出了3种轮盘的破裂转速;并将计算结果与大变形解析法及试验值作了对比分析。      

叶片脱落超转保护概率设计方法研究

针对航空发动机传统的超转保护设计未考虑材料、载荷和制造公差分散性的问题，本文提出了一种基于概率的叶片脱落超转保护设计方法，建立了一种基于响应面法的叶片脱落超转保护设计概率模型，并给出了具体算法，采用多项式拟合叶片脱落超转保护设计极限状态函数，利用Monte Carlo方法获取了轮盘破裂转速分布和叶片脱落转速分布。运用概率设计方法对某发动机涡轮转子进行叶片脱落超转保护设计，结果表明：与传统方法相比，基于叶片脱落超转保护设计概率模型设计的轮盘破裂转速均值降低了约5.4%，轮盘质量减轻了约7.2%。     

基于极限应变法的超转分析验证与应用

为了提供快速提高轮盘超转破裂裕度方法,满足适航对超转相关要求,基于极限应变法开展了轮盘超转分析和试验验证。轮盘破裂转速分析与试验结果符合性较好,轮盘起始破裂位置、应力应变分布特征通过轮盘碎片断口及残余变形获得了验证。根据轮盘起始破裂位置,给出了适航超转要求中最不利尺寸公差的确定方法和通过局部结构强化提高轮盘破裂转速的方法。分析和试验结果的对比证明了极限应变法用于超转破裂分析的合理性,整个过程也为充分利用超转试验结果对分析进行验证提供了范例,提出的提高轮盘破裂裕度方法和最不利尺寸公差确定方法具有较强操作性,可为航空发动机轮盘超转设计和适航取证提供参考。     

航空发动机涡轮机匣轮盘包容性研究

为研究某航空发动机辅助动力装置涡轮盘在预定转速范围内破裂后涡轮机匣的包容能力,在高速旋转试验器上进行了涡轮机匣的包容性试验.试验采用轮盘周向3个对称位置预制裂纹的方式,使轮盘在预定转速范围内破裂成均匀3块,得到了轮盘碎块撞击涡轮机匣的高速摄影照片.试验结果表明轮盘碎块击穿机匣撞击包容环,包容环发生大塑性变形,包住轮盘碎块.采用LS-DYNA软件对涡轮机匣包容性进行数值仿真,仿真结果与试验结果吻合良好,研究结果对航空发动机轮盘包容性设计有一定的参考价值.      

基于连续损伤力学的轮盘超转破裂行为预测与验证

为有效预测轮盘的超转破裂行为,建立了1种基于连续损伤力学的预测方法。给出了该方法下基于光滑拉伸试验数据的直接时效GH4169合金弹塑性本构模型参数与损伤模型参数确定方法。对缺口半径分别为0.5、2和5 mm的3种缺口圆棒试样的拉伸响应曲线进行了有限元计算,并与试验结果进行了对比。结果表明:该模型可以较准确地预测缺口试样的极限拉伸载荷和拉伸断裂变形。采用弧长法对模拟盘的超转破裂过程进行了非线性有限元计算,使用模拟盘超转破裂试验进行了验证。该模型不仅可以较准确地预测模拟盘的破裂转速,还能有效预测模拟盘的超转破裂模式。对于实际轮盘破裂转速预测具有一定的指导意义。     

某高压涡轮整体叶盘破裂转速计算方法及试验验证

轮盘的一个重要设计准则是防止其破裂。本文介绍了某高压涡轮整体叶盘破裂转速的计算方法和试验验证。根据试验结果对整体叶盘破裂转速的计算方法进行了验证，反推并验证了该高压涡轮整体叶盘的材料利用系数。该研究成果可供工程设计人员参考。     

计算轮盘破裂转速的大变形解析法

本文为轮盘破裂转速研究课题组的研究报告之一。文中提出的大变形解析法是计算轮盘破裂转速的一种新方法, 首先推导了基本方程, 其次叙述了计算步骤, 并对几个试验盘作了数值计算。最后将计算结果与试验结果作了对比, 误差均在 4 %以内。作者认为, 此法简便易行, 准确度符合工程需要, 适应范围较大, 可以在发动机轮盘研制工作中应用。      

减涡器破裂转速预测方法及试验验证

采用数值分析同试验相结合的方法研究了减涡器破裂转速问题。根据减涡器支撑环孔边的应力状态，设计了支撑环结构的模拟试验件，开展了单调拉伸载荷下的破坏试验，得到了体现结构应力特征的破坏参数。进而基于有限元方法，将模拟试验件的破坏参数引入减涡器支撑环破裂转速预测中，并对比了不同破裂准则对破裂转速预测结果的影响。分析表明:所设计的模拟试验件与减涡器支撑环的应力梯度吻合较好，可准确描述结构应力特征；局部塑性法和基于材料强度的方法预测破裂转速时结果更为保守，分别比平均应力法的预测值低15%和23%，对此类结构的破裂分析具有工程参考价值。      

某粉末冶金高温合金涡轮盘破裂转速分析

介绍了平均应力法、平均径向应力修正法、残余变形法、局部塑性应变法等破裂转速预测方法,并采用这些方法对某粉末冶金高温合金涡轮盘破裂转速进行了分析.通过理论预测与试验结果的对比得知:采用平均径向应力修正法、残余变形法、局部塑性应变法预测的破裂转速与试验结果吻合较好,而采用基于径向应力分布均匀假设的平均应力法推算的破裂转速与试验结果相差较大.      

轮盘径向破裂转速计算方法分析及修正

分析了轮盘径向破裂转速理论计算方法及常用平均径向应力计算方法的含义及其特点.且依据理论计算方法的含义,提出了基于有限元计算结果的轮盘径向破裂转速计算修正方法.通过实例应用,证明了相对于理论方法计算结果,修正方法较常用平均径向应力方法计算精度更高,其计算精度由6.6%提高到0.5%以内,且修正方法较理论方法使用更方便、工程适用性更强.      

轮盘模拟件破裂试验及其有限元描述

建立了与材料延伸率相关的轮盘破裂准则。以某型发动机低压压气机第1级轮盘为研究对象,模拟轮盘工作时榫槽底的应力分布,设计制造了模拟试件,并在材料试验机上对2个模拟试件进行了试验;借助MSC.MARC商用有限元软件,应用弹塑性、大应变、大变形的非线性有限元方法,描述了轮盘模拟件破裂试验的过程。经验证,计算结果和试验结果相一致。     

基于快速预测模型的轮盘瞬态变形影响

针对初始设计阶段预测轮盘变形需要,发展了一种基于有限体积法的航空发动机轮盘瞬态变形快速计算方法,在Mat? lab平台编制了预测代码,利用该方法模拟了单轴发动机瞬态加速中的涡轮盘热浸润过程以及轮盘变形响应。模拟结果表明：采 用该方法可较好地预测结果,适用于航空发动机方案设计。参数影响分析表明：换热系数以及时间间隔影响轮盘温度水平;高热 传导率降低了径向温度梯度;初始温度对于盘心及中部温度有决定作用;与等厚轮盘相比,典型轮盘剖面能降低应力水平。特定 条件下的变形预测结果表明：不同因素有不同程度影响,其中初始温度影响最大,可导致65%偏差;对流换热系数以及计算时间间 隔的影响约为10%;采用等厚轮盘或假设恒定的材料属性,变形预测结果分别增大8.8%和8.3%。     

某涡轮盘低循环疲劳概率寿命数值模拟

针对发动机轮盘疲劳萌生寿命具有较大分散性,且难于准确确定安全寿命边界的特点,基于应变疲劳概率分析模型,以转速、材料属性、盘轴连接销钉孔处过盈量作为随机变量,应用响应面与蒙特卡洛模拟结合,获得某涡轮盘寿命概率分布,并得到可靠度为99.87%的概率寿命,与轮盘试验技术寿命吻合良好。