基于疲劳-蠕变载荷等效转换的涡轮盘载荷谱编制及寿命预测

针对雨流计数法在峰谷值提取时进行等值压缩,忽略保载时间的问题进行了改进,提出了一种基于损伤曲线的疲劳-蠕变载荷等效转换方法。利用非线性疲劳损伤累积函数和损伤等效原则,建立了不同应力水平、不同保载时间下疲劳-蠕变载荷与疲劳载荷之间的等效换算模型。利用涡轮盘材料试验数据,计算了不同循环加载条件下的等效换算比,得到了其随保载时间的变化规律。利用改进的雨流计数法,编制了航空发动机高压涡轮盘载荷谱,并将其与寿命-时间分数预测法相结合,得到了涡轮盘剩余寿命。结果表明,改进的雨流计数法综合考虑了疲劳-蠕变耦合损伤对涡轮盘寿命造成的影响,相比于传统雨流计数法,寿命预测误差降低了15.02%,验证了该方法的有效性。     

随机环境下涡轮盘-片剩余寿命预测方法

采用随机有限元方法, 针对某燃气涡轮盘-片进行了热流固耦合及接触热弹塑性分析, 得到了随机应力应变响应;基于概率Miner损伤准则和应变场强法, 运用K.N.Smith疲劳损伤公式及Manson-Succop形式热强综合参数蠕变方程计算了涡轮盘-片的疲劳蠕变寿命;据此分析了影响疲劳和蠕变损伤的各种因素, 提出了装置使用和维护方面的建议.分析结果接近实际, 证明该方法不失为目前为止较好的预测涡轮盘-片剩余寿命的新方法.      

基于Chaboche 理论的GH901 合金本构模型改进

为某型航空发动机涡轮盘损伤分析的需要,在涡轮盘材料GH901试件高温拉伸试验、低周疲劳试验、蠕变试验以及疲劳/蠕变交互作用试验基础上,分析Chaboche本构模型特点,基于涡轮盘实际使用中的变幅脉冲循环,将应变幅值记忆项引入Chaboche本构方程;通过已有试验结果,应用量子遗传算法优化得到改进的本构方程各参数。将本构方程计算结果与试验结果对比,证明改进的本构方程是合理的。     

基于循环应变特征的疲劳-蠕变寿命预测方法

为研究非对称加载下疲劳-蠕变交互作用对粉末高温合金涡轮盘寿命的影响,开展了550 ℃时不同应力水平及保载时间下FGH96粉末高温合金的低周疲劳-蠕变试验,得到了材料的循环应变响应及疲劳-蠕变寿命随保载时间的变化规律。在此基础上,结合材料的循环软化特征,以循环应变范围作为损伤控制参量,将其与保载时间和动态循环次数相关联,提出了一种基于循环应变特征的疲劳-蠕变寿命预测方法。该模型综合考虑了载荷历程和保载时间对材料疲劳-蠕变损伤的影响,能够实现不同应力水平、不同保载时间下FGH96粉末高温合金疲劳-蠕变寿命预测以及消耗寿命的动态跟踪。通过与工程上常用的几种模型进行对比,发现新模型具有较高的预测精度,且预测结果分散性较小,寿命预测结果基本位于±2.5倍寿命分散带之内,预测标准差小于0.4。     

粉末冶金涡轮盘的应用及寿命研究

介绍粉末冶金轮盘在国外的实际应用情况。以美国Ｒｅｎｅ９５粉末冶金涡轮盘为例，综述了国内外对粉末冶金盘合金材料力学特性、疲劳寿命、裂纹扩展特性研究的成果，并对涡轮盘的应力分析技术以及寿命研究发展进行了评述。提出了我国粉末冶金涡轮盘寿命研究的重点和方向。     

涡轮叶片榫齿部位疲劳/蠕变试验的新特点

在某型航空发动机涡轮叶片的低周疲劳试验中发现, 叶片疲劳/蠕变试验寿命高于纯疲劳试验寿命, 为探究这一现象的原因, 对此展开相关的理论计算和分析.研究表明:试验条件较好地模拟了叶片的实际工作条件, 该涡轮叶片的损伤以疲劳损伤为主, 相对于真实涡轮叶片的纯疲劳试验, 在疲劳/蠕变试验条件下, 其考核部位(榫齿)出现了较大的应力松弛, 故而使得叶片疲劳/蠕变寿命高于纯疲劳寿命.研究结果对于保证发动机安全工作、提高飞行可靠性、以及发展高温构件的疲劳试验技术有重要意义.      

模拟扭矩载荷作用的涡轮盘低循环疲劳寿命试验

提出了在传统涡轮盘低循环疲劳试验件上施加扭矩的试验方案,以某型发动机涡轮盘为对象,组装和调试了某型全尺寸涡轮盘预扭试验件,完成了低循环疲劳试验.加扭涡轮盘低循环疲劳试验结果与涡轮盘在传统不加扭矩方法下的低循环疲劳试验表现出明显差异.试验结果表明,涡轮扭矩对涡轮盘-轴连接销钉孔区域疲劳寿命有重要影响.      

循环热机载荷作用下航空涡轮盘蠕变疲劳寿命预测

基于循环弹塑性本构模型(考虑Chaboche随动强化演化律)、应变强化蠕变本构模型和对先进蠕变-疲劳损伤模型的结构拓展，建立了预测航空涡轮盘在循环热-机蠕变-疲劳载荷谱下的蠕变-疲劳行为的数值流程，实现了对某型涡轮盘的蠕变-疲劳寿命的模拟和设计。结果表明：该涡轮盘在4 h巡航的服役过程中蠕变-疲劳损伤危险区主要集中在榫槽底部，靠近榫槽的盘缘和盘体的形状突变区；榫槽端由于温度较高，应力集中程度也高，总损伤最大，呈现蠕变损伤主导的情况；盘心区温度较低主要以疲劳损伤为主；涡轮盘最大损伤随单次飞行的巡航时间而增加，并逐渐从疲劳主导过渡到蠕变主导。论文研究成果可为航空发动机涡轮盘的长寿命、高可靠设计提供重要参考。     

基于P-ε-N曲线整体推断的涡轮盘寿命可靠性分析

疲劳寿命符合对数正态分布,并且对数寿命的标准差随弹性应变幅和塑性应变幅的减小而增大。采用基于异方差回归分析的整体推断方法在现有低循环疲劳试验数据的基础上,得到了航空发动机涡轮盘材料GH4133在温度250℃下的P-ε-N曲线;利用P--εN曲线对某涡轮盘进行低循环疲劳寿命可靠性分析,得到置信度0.95,可靠度0.998 7的轮盘寿命为1 866次循环,合683飞行小时,与涡轮盘疲劳试验分析得到的技术寿命接近。整体推断得到的P-ε-N曲线精度较高,利用P-ε-N曲线进行轮盘寿命可靠性设计分析具有计算简便、节约试验成本的优点。     

发动机高压两级涡轮盘联合低循环疲劳寿命试验

以某型发动机高压两级涡轮盘为研究对象,通过有限元计算得到试验载荷系数,组装和调试了全尺寸联合试验件,完成了低循环疲劳试验,得到了以传动臂销钉孔为定寿部位的两级涡轮盘低循环疲劳寿命。两级涡轮盘联合低循环疲劳试验在国内尚属首次,相对于单盘低循环疲劳试验,更加符合发动机实际工作状态,将传动臂销钉孔作为两级涡轮盘的定寿部位更为合理。该联合试验为外场涡轮盘重新定寿提供了依据。     

基于表面缺陷特征的疲劳寿命预测方法

在含表面缺陷试样的疲劳数据的基础上，提出了表面缺陷对疲劳寿命影响的尺寸参数，将其引入Walker寿命方程，建立了可以考虑表面缺陷尺寸特征的疲劳寿命预测方程。将该方程的寿命预测结果同考虑应力梯度的寿命预测方法的计算结果进行对比，两者在±3倍以内，验证了方法是准确可靠的。进而，将该方程应用于粉末高温合金涡轮盘的疲劳寿命预测中，获得了不同尺寸的表面缺陷对涡轮盘寿命的影响规律，其工程意义在于:依据涡轮盘危险位置的应力特征，能够给出存在缺陷时的疲劳寿命，可作为使用过程中的重要参考数据，一旦出现漏检的表面缺陷，也能够保证涡轮盘的安全工作。      

各向异性材料微动疲劳寿命研究

设计和制造了一套采用液压加载方式来施加法向载荷的微动疲劳试验装置,并且在该装置上进行了各向异性材料DD3与粉末高温合金FGH95以及DZ125与FGH95配对接触的微动疲劳试验,研究其微动疲劳的损伤过程.各向异性材料微动疲劳试验的完成证明了该装置的性能良好.将微动综合损伤参量应用于各向异性材料微动损伤的表征,并建立了DD3和DZ125相应的微动疲劳寿命预测模型.通过微动综合损伤参量的计算分析与试验验证,表明所建立的各向异性材料微动疲劳寿命模型其预测结果误差分散带均在2.8倍因子以内.      

粉末冶金镍基高温合金FGH96高温疲劳寿命分散性特征

通过宽载荷水平大子样试验研究了缺陷对粉末冶金镍基高温合金FGH96的疲劳寿命分散性的影响，获得FGH96在宽载荷水平下的疲劳寿命分布特征.通过扫描电镜对疲劳失效断口进行统计分析，揭示缺陷在不同载荷条件下的作用.结果表明:①FGH96中导致疲劳失效的缺陷主要为非金属夹杂；②在高应力水平下（1200，1100MPa）下，导致表面萌生裂纹的夹杂是最差疲劳寿命的主导因素，使得疲劳寿命分散性较大；③在中间应力水平（1000MPa）下，在材料内部萌生裂纹的夹杂并不影响疲劳寿命的分散性；④在低应力水平（900MPa）下，疲劳破坏均萌生于内部，在材料内部夹杂处萌生的裂纹并不影响疲劳寿命的分散性.因此，在高应力水平下的寿命预测需要考虑缺陷信息.      

涡轮盘低循环疲劳寿命的概率分析

疲劳寿命呈现异方差特性,其标准差随弹性应变幅和塑性应变幅的减小而增大,因此在Man-son-Coffin公式中引入标准正态变量μ和线性标准差σ_e,σ_p,将ε-N曲线参数表示为标准正态变量μ的函数,建立了低循环疲劳寿命的概率模型.针对某涡轮盘材料,在低循环疲劳试验数据的基础上应用异方差回归分析方法获得了概率模型的参数,应用该模型对涡轮盘销钉孔的低循环疲劳寿命进行了Monte-Carlo数值模拟,获到了寿命的概率分布.得到可靠度0.998 7的概率寿命与轮盘技术寿命相一致,相对误差仅为4%.该模型参数均来自疲劳试验数据的统计分析,寿命预测精度高,具有较好的工程应用前景.      

粉末冶金涡轮盘裂纹扩展寿命分析

采用J积分方法建立了断裂力学有限元模型,对FGH95粉末高温合金标准紧凑拉伸(CT)试样的裂纹扩展试验结果进行了数值模拟,分析了材料的裂纹扩展规律。计算结果与试验结果吻合很好,表明了分析方法的准确性及可行性。将该方法加以拓展,建立了含有不同尺寸缺陷的粉末盘断裂力学有限元模型,并对其裂纹扩展寿命进行了评估。与传统预测方法相比,该方法将给出更为实际的结果,可应用于复杂构件裂纹扩展特性的工程分析。     

涡轮盘疲劳寿命评估流程及应用

建立了较完整的涡轮盘疲劳寿命评估流程，并以一个涡轮转子模型的分析实例给出了寿命评估流程的实施过程，同时探索了涡轮盘考核部位模拟试验件设计的方法。结果表明:所建立的涡轮盘寿命评估流程具有较强的工程实用性，所发展的寿命方程参数确定方法可有效利用现有材料手册中各种材料基础试验数据并能获得一组物理意义明确的参数，此寿命方程预测的寿命精度在2倍分散带之内；通过涡轮盘计算分析发现应力梯度是影响涡轮盘中心孔、螺栓孔边以及过渡圆角等部位寿命的关键因素，需在设计过程中重点关注；通过带缺口的平板模型算例模拟了涡轮盘危险部位的应力梯度特征，实现试验件缺口部位的应力梯度与涡轮盘考核部位的相对梯度特征接近，并提供了缺口模拟试验件设计方法，为使用简单缺口试验件评估涡轮盘考核点的寿命提供了技术途径。      

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。     

定向结晶涡轮叶片蠕变/疲劳寿命的试验与分析

针对定向涡轮叶片的使用工况,提出了用于涡轮叶片蠕变/疲劳试验的方法,包括摩擦原理的夹具设计和标定及相关试验、计算和分析技术,并以某型定向涡轮叶片为例,介绍了该方法的实现。试验结果表明:试验方法能够模拟涡轮叶片考核截面在实际工作状态下的应力场和温度,利用所提出的试验方法和分析技术得到叶片的寿命数据是合理的。此次提出的基于构件的定向结晶涡轮叶片的蠕变/疲劳试验方法,对于涡轮叶片的定寿、故障预防、以及维修都有重要意义。