某压气机轮盘低循环疲劳寿命研究

本文以某发动机压气机轮盘榫槽低循环疲劳(LCF)为研究对象.针对其疲劳载荷非对称、危险部位数目较多等特点,对其进行寿命预测和试验研究.轮盘低循环疲劳寿命预测采用工程中常用的通用斜率以及Manson-Coffin公式进行,并考虑平均应力修正方法、危险部位数目对轮盘低循环疲劳寿命的影响以及多轴疲劳寿命预测方法.通过轮盘低循环疲劳试验,再现了在役发动机轮盘榫槽槽底裂纹,验证了轮盘低循环疲劳寿命预测模型和方法的有效性.     

粉末合金轮盘关键部位多圆弧转接降应力研究

为了验证某型航空发动机粉末合金涡轮盘低循环疲劳寿命,在旋转试验器上进行了涡轮转子的低循环疲劳寿命试验。在试验过程中有轮缘凸块和配重块断裂飞出,导致试验失败,得出该低循环疲劳试验故障的主要原因是裂纹起始部位的局部应力偏高。通过建立故障部位的单圆弧、双圆弧和3圆弧局部模型进行有限元计算,研究了转接圆角处的应力与转接圆角半径的关系。研究结果表明:采用3圆弧转接方法对粉末合金涡轮盘寿命考核部位进行改进设计是最佳方案,降低了轮盘考核部位应力,提高了轮盘寿命,并通过了试验验证。     

轻、重腐蚀涡轮盘榫齿高温复合疲劳试验研究

针对某型发动机二级涡轮盘榫齿裂纹故障,设计了一套新型试验加载方案,对涡轮盘枞树型榫槽进行了高温复合疲劳试验研究,得出了多通道传力结构的复合疲劳裂纹扩展规律,进而对比了轻、重两种腐蚀状态的涡轮盘榫齿高温复合疲劳寿命,给出了重腐蚀盘较轻腐蚀盘的寿命明显降低,且分散性大的结论,为制订轮盘腐蚀判废标准提供了依据。     

利用做过高载试验的飞机结构进行疲劳寿命研究

某型飞机的某框下半框腹板发生严重的腐蚀损伤.为保证飞机安全,对该部位采取了补强修复.根据规范要求,需要进行全尺寸疲劳试验.但受条件限制,疲劳试验只能在做过高载试验的飞机结构上进行,为此,进行了高载对疲劳寿命的影响研究和全尺寸疲劳寿命试验等研究工作.研究结果表明,使用做过高载静力试验的飞机结构进行疲劳寿命试验是可行的.     

某型发动机第Ⅰ级涡轮盘低循环疲劳试验研究

为了通过地坑式旋转疲劳试验器确定某型发动机第Ⅰ级涡轮的技术寿命,根据给定的该涡轮盘的标准循环载荷谱,对该涡轮盘进行了应力分析,确定了在标准循环时该盘中心孔与径向销孔相交处是危险区域（简称为考核部位）为模拟标准循环时盘在该考核部位的应力谱,专门设计了该Ⅰ级涡轮盘的试验转子及试验参数,在轮盘低循环疲劳考试器上进行了高温低循环疲劳试验。试验结果表明：低循环疲劳试验至第7087次循环时,在该盘预计的考核部位出现了长26mm的裂纹。断口分析表明：可以定该盘试验低循环疲劳失效寿命为7087周,试验低循环疲劳裂纹起始寿命为3493周,试验低循环疲劳裂纹扩展寿命为3594周。     

航空发动机涡轮机匣温度试验对比验证研究

涡轮机匣结构复杂且工作环境比较恶劣,直接利用发动机部件开展机匣表面换热规律研究难度极大.通过采用简化模型的基础研究结合某发动机部件试验验证的方式进行研究.在基础研究中,取涡轮机匣的1个周期性扇段作为研究对象,对机匣结构中的一些圆弧、倒角、倒圆等结构进行了简化,采用数值计算和瞬态液晶测试技术获得了涡轮机匣表面换热经验关系式;在验证试验中,针对某发动机部件,在压力和温度均接近发动机工况下进行试验,获得了涡轮机匣表面换热情况,并对基础研究获得的经验关系式进行了验证.研究结果表明:基础研究获得的换热经验关系式在发动机部件试验中同样适用.应用的研究方法可供类似研究借鉴.     

轮盘低周疲劳概率寿命预估模型

为了研究影响轮盘结构寿命预估精度的主要因素,提高模型预测精度,通过对三种材料应变概率寿命模型参数的异方差回归,对某航空发动机风扇盘榫槽部位疲劳寿命分布进行了数值模拟,得到了风扇盘榫槽部位的概率寿命。经与试验结果对比表明,考虑材料疲劳寿命异方差特性比按同方差处理更为合理。等效应变模型对疲劳寿命严重高估,第一主应变模型预测值与试验结果吻合较好。最大剪应变模型预测值介于以上两个模型之间,用峰值拉伸应力代替平均拉伸应力进行修正后最大剪应变模型预测值与试验值吻合良好。     

长期大气腐蚀对2A12-T4铝合金结构疲劳性能的影响

开展了2A12-T4铝合金平板试验件、螺栓干涉试验件和冷挤压后螺栓干涉试验件在海南万宁大气环境下暴露腐蚀7年、12年和20年后的疲劳试验,进行了试验件腐蚀形貌分析、断口形貌分析和断口附近的侧边损伤形貌分析,并讨论了结构裂纹萌生位置、结构断裂部位和寿命变化规律等疲劳特征的形成原因和机理。研究结果表明:平板试验件和冷挤压后螺栓干涉试验件在腐蚀20年后的疲劳寿命与腐蚀12年相比基本持平,而螺栓干涉试验件的疲劳寿命持续下降;在长期大气腐蚀环境下结构局部强度的衰减速度排序是:螺栓干涉强化部位>未强化部位>冷挤压后螺栓干涉强化部位;2A12-T4铝合金材料在L-S面中部的腐蚀敏感性与L-S面侧边和L-T面相比更弱;L-S面发生的沿晶腐蚀是疲劳开裂的主要萌生源,长期腐蚀后侧面密集损伤导致的能量分散是使腐蚀20年后平板试验件寿命与腐蚀12年相比无明显下降的主要原因。     

海洋环境与疲劳载荷联合作用下喷丸超高强度钢损伤机制

舰载机起落架结构既要遭受海洋大气、海上盐雾和海浪飞溅等严酷海洋环境的侵蚀作用,又要承受较大的弹射起飞/拦阻着舰载荷,在海洋环境与疲劳载荷联合作用下超高强度钢起落架结构承载能力显著劣化,对使用安全构成严重挑战。针对超高强度钢喷丸和未喷丸两种试验件,基于舰载机服役的海洋环境,开展了腐蚀+疲劳交替试验和预腐蚀疲劳试验研究,得到了疲劳寿命变化规律,通过粗糙度、晶粒度、显微硬度、残余应力和疲劳断口分析,揭示了喷丸对疲劳寿命增强的作用机制、腐蚀+疲劳损伤交替作用机制和预腐蚀疲劳损伤作用机制。结果表明,喷丸强化后疲劳寿命平均增幅为93.1%;对于喷丸试验件,深度约为20 μm的轻微点蚀,导致疲劳寿命衰减幅度达到30%;喷丸强化与腐蚀两者之间存在着此消彼长的竞争机制;腐蚀+疲劳交替作用损伤机制对该型超高强度钢造成的疲劳寿命衰减要比预腐蚀疲劳损伤机制严重得多,加速腐蚀试验时间相同的条件下前者疲劳寿命为后者的47%~54%。     

直升机关键件疲劳设计探讨

本文结合工程实例对直升机关键件疲劳设计和试验验证中的几个问题进行了探讨和分析。提出了几个观点:对承受高周疲劳载荷为主的直升机关键件,宜采用疲劳极限和疲劳寿命共同作为疲劳设计目标参数;疲劳寿命对疲劳极限、载荷谱相当敏感的T-、A-等破坏模式的疲劳设计应采用无限寿命设计方法;多疲劳源、多破坏模式复杂结构疲劳设计时须给予额外设计裕度;多疲劳源、多破坏模式复杂结构疲劳试验须充分利用试件同时考核多个危险部位,获得各危险部位准确的疲劳性能。     

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。      

In-phase thermal-mechanical fatigue investigation on hollow single crystal turbine blades

Thermal-mechanical fatigue（TMF）is the primary cause of failure of nickel-based single crystal turbine blades.TMF experiments have been performed on the critical section which is subjected to the most serious damage and determined by numerical calculation combined with service failure experience.An experimental system including the loading,heating,air cooling,water cooling,and control subsystems,is constructed to satisfy the TMF experimental requirements.This experimental system can simulate the stress feld,temperature feld,air cooling process,and TMF spectrum on the critical section under service conditions in a laboratory environment.A metal loading device and a new induction coil are developed to achieve the required stress and temperature distributions on the critical section,respectively.TMF experimental results have indicated that cracks initiated at the trailing edge of the suction surface on the critical section.Based on these experiments,life prediction and failure analysis of hollow single crystal turbine blades can be investigated.     

基于场强法的燃烧室机匣后衬套安装座疲劳寿命预测

由于局部应力应变法存在缺陷而引入场强法,对缺口构件的疲劳寿命预测问题进行研究。给出了应力场强法估算缺口构件疲劳寿命的基本框架和分析计算步骤,通过算例对场强法重要参数场径的影响因素、应力集中系数和权函数进行了探讨,并对场强计算中的有限元网格细化问题进行了初步探讨。采用场强法和局部应力应变法对某型发动机燃烧室机匣后衬套安装座进行了疲劳寿命预测。结果表明：利用场强法预测出的寿命更接近试验结果。     

基于安全寿命法的高压涡轮盘低循环疲劳寿命试验

基于英军标Defence Standard 00971对盘类零件的安全性要求,采用安全寿命法对某型发动机高压涡轮盘的低循环疲劳寿命试验进行了研究.通过有限元法对发动机工作条件下的高压涡轮盘进行了应力分析,考虑了温度场对应力分布的影响,按照Defence Standard 00971的要求确定了高压涡轮盘的关键部位及其标准循环,制定了高压涡轮盘低循环疲劳寿命试验方案,给出了基于试验结果确定高压涡轮盘安全寿命的方法.分析表明:中心孔和螺栓孔的应力系数分别为1.0和1.017,均在合理范围内;提高高压涡轮盘转速同时截短涡轮叶片的试验方法能有效模拟热应力对寿命的影响,对高压涡轮盘低循环疲劳寿命试验具有重要指导意义.      

单晶涡轮叶片热机械疲劳试验技术

针对单晶空心气冷涡轮转子叶片的热机械疲劳(TMF)试验要求,建立了涡轮叶片热机械疲劳试验系统,包括加载、加热、气冷、水冷和控制等5个子系统.试验结果表明:该系统能够同时模拟服役条件下单晶涡轮叶片考核截面的应力场、温度场、气冷过程以及应力/温度谱等.利用该试验系统进行了单晶涡轮叶片考核截面的热机械疲劳试验,试验结果再现了涡轮叶片在服役状态下的失效模式.基于上述试验结果可以进行涡轮叶片的寿命预测和失效分析.      

用残余应力确定涡轮盘应变循环研究

提出了一种避开瞬态温度场测试而通过残余应力计算得到最大应力应变循环的方法。应用以应力释放位移为几何边界条件的残余应力确定法对某型发动机高压涡轮盘进行了残余应力分析,得到了涡轮盘中心孔与径向销钉孔交界处的残余应力,并计算了该危险点最大应力应变循环,预测了低循环疲劳寿命。研究结果表明,该方法可以较准确地确定影响零部件寿命主要因素的最大应力应变循环。      

某涡轮后机匣裂纹失效机理分析

为排除某航空发动机斜支板涡轮后机匣在试车后出现裂纹的故障,进行了裂纹宏观检查、断口宏观和微观形貌分析、材质检查、细晶层成因及其对疲劳特性影响分析,并对裂纹性质进行了判定,分析了产生裂纹故障的原因。结果表明:斜支板涡轮后机匣裂纹为疲劳性质,原始铸造冷隔缺陷、热等静压工艺产生的细小再结晶层、基体晶粒粗大是促使涡轮后机匣过早疲劳开裂的主要原因。为避免该类故障再次发生,建议提高浇注温度以增强浇注液流动性,从而排除冷隔缺陷;防止热等静压时产生表面细小再结晶;添加细化剂使基体晶粒细化。     

求飞机结构真实腐蚀容限的原理和方法

本文通过静强度、疲劳强度和腐蚀3个学科的综合研究,分别给出飞机结构（下称机件）在静载荷作用下的应力与腐蚀损伤D的分布曲线和机件在疲劳载荷作用下的寿命与腐蚀损伤D的分布曲线。根据这两条曲线和机件使用的容限应力值及总疲劳寿命值,便可分别求出机件在静载荷作用下的腐蚀损伤容限值和机件在疲劳载荷作用下的腐蚀损伤容限值以及同一机件同时受静载荷和疲劳载荷作用的腐蚀损伤容限值。此外,本文提出了用一个腐蚀损伤容限值保证同一机件的总疲劳寿命和总日历寿命皆安全的方法,以及总疲劳寿命和总日历寿命的匹配设计和匹配使用等问题。研究结论适用于大气、海洋、土壤等环境的腐蚀机件,解决了国际机械和腐蚀领域一直未解决的一些难题。     

考虑应力梯度的轮盘疲劳寿命预测

考虑应力梯度和尺寸效应对寿命的影响,通过引入应力梯度影响因子,将缺口试件与光滑试件的疲劳寿命相关联,建立了基于Walker平均应力修正的缺口试件寿命预测模型,进而结合三维弹性有限元分析对发动机涡轮盘进行了寿命预测.结果表明:所发展的寿命模型能较好地反映影响疲劳寿命的多种因素,尤其是应力集中对试件疲劳寿命的影响,综合考虑平均应力、应力梯度和尺寸效应的轮盘寿命预测结果更接近试验值,对GH901标准试件和轮盘的疲劳寿命预测结果都在2倍分散带以内.      

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。