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。     

某镍基单晶高温合金塑性变形与失效分析

为有效预测某镍基单晶高温合金在复杂应力状态下的塑性变形响应,采用光滑平板拉伸试验获取[001]向拉伸性能,根据缺口平板试件试验数据反衍优化获得其他取向的性能参数,基于广义Hill准则,构建了针对该材料的各向异性弹塑性本构模型,并使用该模型开展镍基单晶高温合金在复杂应力状态下的塑性变形行为的大变形有限元预测,结合Freudenthal失效准则对名义极限强度进行预测,与试验结果进行对比分析。结果表明:反衍优化建立的各向异性本构模型能够较为准确地描述该镍基单晶高温合金在复杂应力状态下的拉伸响应行为,且能较为准确地预测出几种试件的名义极限强度,误差小于6%。对工程中单晶涡轮叶片塑性失效分析有一定指导意义。     

GH4169合金的循环本构模型研究

为研究GH4169合金在高温环境不同载荷条件下的非弹性响应力学行为,对其开展650℃下单轴拉伸和恒温低周疲劳试验,采用Bodner-Partom (B-P)统一本构理论对其力学行为开展数值模拟研究。通过试验,获得GH4169合金高温单轴拉伸曲线及半应变幅为0.65%,0.75%及0.85%下的循环曲线,基于B-P理论并结合有限元方法,引入介于0～1的缩小因子,研究了本构方程隐式积分新算法,通过ABAQUS用户子程序,计算得到GH4169合金不同载荷条件下的数值模拟曲线。计算曲线与试验曲线均具有较好的一致性,说明B-P模型能较合理地建模GH4169合金的高温非弹性响应力学行为,同时验证了本文模型的完整性和计算程序的正确性。     

双向应力状态下IC10高温合金的屈服行为研究

 为了研究Ni₃Al基金属间化合物IC10高温合金的屈服行为,对其进行了不同加载路径下的双向拉伸试验.试验采用十字形双向拉伸试验件在Zwick/Roell Z010双向拉伸试验机上进行,得到的最大等效应变为0.02.试验加载方向与材料塑性各向异性主轴重合,采用位移控制方法让两个夹头的加载速率比保持不变,得到不同线性加载路径下的应力-应变曲线.根据单位体积塑性功相等原理获得了IC10合金在双向拉伸应力状态下的屈服轨迹,并与目前常用的几种正交各向异性屈服准则及von Mises屈服准则预测结果进行了对比.结果表明,IC10合金的试验屈服轨迹呈外凸性,以双向等拉线为界的上下部分屈服轨迹不对称,显示出明显的塑性各向异性.各向同性von Mises 屈服准则只包含一个材料常数,无法描述IC10合金的塑性各向异性行为;Hill 二次式屈服准则在双向等拉应力状态附近低估了材料的屈服强度;Logan &; Hosford屈服准则在从双向等拉到横向单拉的应力状态下都低估了材料的屈服强度,与试验结果相差较大.Banabic-Balan屈服准则和Barlat (1989) 屈服准则的预测值与试验结果吻合很好,能很好地描述IC10合金在双向应力状态下的屈服行为.     

复杂应力状态下金属材料屈服模型及有限元验证

日益复杂的结构细节特征和载荷作用给飞机金属实体结构的精细化设计提出了极高挑战,对复杂应力状态下金属材料的屈服及失效行为的高精度预测是结构精细化设计与验证的关键。多种典型构形拉伸试验研究发现基于单一曲线假设的 von Mises 屈服理论难以精确描述金属材料在复杂三维应力状态下的屈服行为。为提高复杂应力状态下金属弹塑性行为的预测精度,提出一种基于应力三轴度和 Lode 角参数修正的 von Mises屈服模型,将该修正模型以 VUMAT 用户材料子程序嵌入 ABAQUS/explicit 求解器对铝合金 2024-T4 试件的屈服行为进行数值模拟。结果表明：本文提出的修正屈服模型比 von Mises 屈服模型更符合试验结果。     

盘用材料缺口特征尺寸对缺口强度的影响

现代航空发动机轮盘工况复杂,常常在榫槽、通气孔、螺栓孔等几何不连续处遭受破坏。这些几何不连续性特征可以视为广义的缺口,为了分析缺口附近几何特征尺寸对航空发动机轮盘复杂结构件抗拉强度的影响规律,基于典型盘用合金GH4169设计了双边缺口平板试样、双边不等缺口平板试样、不等厚双边缺口平板试样以及不等厚双边不等缺口平板试样进行试验研究。试验结果表明:缺口平板试样的应力集中系数与缺口抗拉强度存在一定的相关性,缺口抗拉强度无量纲化常数与应力集中系数的试验数据点存在一定的分布规律,二者的拟合曲线能很好地描述试验结果分布规律。包括GH4169、GH738和TC11合金等常用航空塑性金属材料在内的缺口平板试验数据点落在拟合曲线±10%以内的分散带内。     

GH4169超塑性变形中的位错、动态回复和再结晶

在不同变形条件下,对GH4169细晶板材进行了超塑性拉断试验和不同应变量拉伸试验,采用TEM研究了GH4169超塑性变形中的位错、动态回复和再结晶行为.     

GH4169高温合金高应变率本构关系试验研究

 基于高应变率下GH4169高温合金的本构关系是采用有限元法对GH4169高温合金进行切削加工数值分析研究的基础。本文针对GH4169高温合金,通过试验对其在温度为室温至1 000 ℃、应变率为2 000～10 000 s^-1的范围内的本构关系进行了研究。研究发现高应变率下GH4169高温合金的流动应力与塑性应变关系接近线性关系,同时温度影响着高应变率下应变率对本构关系的影响程度及方式。根据GH4169合金流动应力曲线的特点,对Johnson-Cook本构模型进行修正。基于试验结果,通过数据拟合确定了对应高应变率GH4169高温合金的材料常数,建立了描述GH4169高温合金高应变率下的本构模型,为切削加工有限元数值分析提供了理论基础,并为相关类似研究提供了思路。     

不同时效处理对GH4169合金组织性能的影响

为了解GH907合金时效制度对GH4169合金组织和性能的影响,对分别进行GH907和GH4169两种时效处理后的GH4169合金进行组织、力学性能的对比分析与测试.结果表明,相对于GH4169时效处理,775℃时效处理使GH4169合金的(6)相的析出量有所增加,γ'、γ″相略有长大,但合金的晶粒度没有发生明显变化.经775℃时效GH4169的缺口持久性能基本不变,不存在缺口敏感,但其室温和650℃抗拉强度、屈服强度、光滑持久寿命以及硬度均有所降低.     

材料性能分散性对轮盘破裂转速预测结果的影响研究

为优化航空发动机轮盘结构设计,节约轮盘破裂转速预测成本,借助GH4169轮盘材料拉伸性能数据,采用基于塑性失稳准则和大变形有限元分析的轮盘破裂转速预测方法,分别利用双线性、多线性及非线性材料本构模型,分析探讨了材料性能分散性对轮盘破裂转速预测的影响。结果表明,在典型分散范围内考虑材料性能分散性对轮盘破裂转速预测结果有一定影响,但影响较小;在预测轮盘破裂转速时,可直接采用最差材料性能曲线,以获得相对保守偏于安全的结果。     

GH4169合金近等温锻造

对GH4169合金进行近等温锻造试验,结果表明:近等温锻造GH4169合金微观组织和拉伸性能对温度场敏感高,对变形量和应变速率不敏感,有利于GH4169合金近等温加工成形.     

GH4169合金直接时效锻造过程的数值模拟

直接时效（DA）锻造工艺已成为生产GH4169合金涡轮盘锻件的基本方法之一。但实施DA锻造工艺时,锻造过程的各个环节要求严格控制,而且要有足够吨位的设备。参照在压力机上实施DA工艺的终锻过程,用有限元变形-传热耦合分析方法对直径520mm和高度190mm的GH4169合金坯料在不同情况下的镦粗过程进行了数值模拟。大量计算结果表明,在压力机上实施DA锻造工艺时,为了获得优质GH4169合金涡轮盘锻件,应合理确定压力机滑块速度,尽可能改善润滑情况及适当提高模具预热温度。对于GH4169合金涡轮盘锻件,采用等温DA锻造工艺可能是最佳的选择。研究结果对于在国内的生产条件下实施GH4169合金DA锻造工艺具有指导作用。     

GH4169合金蠕变疲劳行为的有限元模拟及寿命预测

考虑蠕变-疲劳损伤,对部件材料进行合理的循环变形描述和准确的寿命预测,是保证航空发动机等高温设备长周期安全运行需要解决的关键问题之一。基于大型有限元软件ABAQUS,采用组合Chaboche随动强化准则和Voce各向同性硬化准则的循环弹塑性本构模型,叠加应变强化的蠕变本构模型,对GH4169合金在蠕变-疲劳载荷下伴有应力松弛的循环变形行为进行了准确的有限元模拟。同时,将Wang等最新修正的基于逐周次概念的蠕变-疲劳损伤模型进行了有限元移植,结合有限元模拟所得的循环应力、应变状态,实现了对GH4169合金蠕变-疲劳寿命的准确预测。研究结果将为进一步实现对航空发动机关键部件精确的寿命预测提供理论基础和技术手段。     

确定总应变寿命方程参数的一种方法

为了使总应变寿命方程能够在较大寿命范围内具有理想的预测精度且其参数物理意义明确,基于总应变寿命方程中疲劳强度系数与疲劳延性系数的物理意义,建立了总应变寿命方程参数与单调拉伸强度极限和断面收缩率之间的关系,并结合TC4,GH4169及GH901合金的单调拉伸及疲劳试验数据,对其各自的总应变寿命方程参数进行了拟合,进而开展了疲劳寿命预测.结果表明:采用该方法确定的总应变寿命方程参数具有明确的物理意义,且对TC4,GH4169及GH901合金的疲劳寿命预测结果较为理想,其分散带基本在2倍以内.      

考虑应力梯度影响的多轴缺口疲劳寿命预测

给出了几种典型拉-扭加载路径在新定义主坐标系下的π平面投影路径,并基于π平面投影路径提出了一种新的多轴疲劳损伤参量;考虑材料多轴加载的非比例附加强化效应,提出了一种非比例附加强化系数的预测方法和非比例度的定义方法;进一步考虑缺口试样多轴加载下的拉-扭应力梯度分布,结合有限元弹性分析的结果,提出了一种考虑多轴效应的等效应力梯度因子,从而发展了一种新的考虑应力梯度影响的多轴缺口疲劳寿命预测模型,并选用GH4169合金650℃下的多轴缺口疲劳试验结果对所提出的寿命模型进行验证。结果表明:①所提出的多轴疲劳损伤参量有明确的物理意义,不仅适用于多轴疲劳,也适用于单轴疲劳;②所提出的等效应力梯度因子仅需通过弹性有限元分析确定,适合工程实际应用;③新的寿命预测模型对GH4169材料多轴缺口疲劳试验的寿命预测结果较好,基本位于2倍分散带以内。      

GH4169合金抗盐雾-热暴露循环腐蚀性能试验研究

通过盐雾-热暴露循环试验研究了GH4169合金的抗腐蚀性能。常温盐雾腐蚀试验按照GJB150.11-1986的要求进行,热暴露试验温度分别选择400、450、500、550、600和650℃,并将550和650℃下的试验结果与同温度下的高温氧化试验结果进行了对比分析。通过形貌观察、质量变化的比较、元素成分的测定等一系列宏观、微观分析,探究了GH4169合金的腐蚀机理。研究结果表明：GH4169合金在上述热暴露温度下均发生了腐蚀,但程度有所差异,呈现出随热暴露温度的升高,腐蚀加剧的趋势。     

预应变对GH4169 合金低周疲劳行为的影响

为了研究发动机构件在实际工作中受到的轴向拉应力作用下疲劳行为的变化,开展了发动机常用材料GH4169合金在拉伸预应变条件下的低周疲劳行为的研究,得出疲劳寿命随预应变增加的变化规律。从宏观和微观2方面分析预变形对材料低周疲劳行为影响的变形机制。最终为解决实际工程中构件断裂等问题提供技术支持,同时也为评估航空发动机构件在产生预变形条件下的寿命,确保安全使用提供技术支撑。结果表明:随着预应变量的增加低周疲劳寿命降低,组织内位错密度、孪晶数量均增加,裂纹扩展长度减小。     

高速切削GH4169高温合金时的残留变形及切削力仿真

应用ABAQUS有限元分析软件建立了高速切削镍基高温合金GH4169的二维切削仿真模型,对切削过程进行了模拟,获得了切削过程中的应力变化及分布情况、切削速度和切削深度对切出端应力分布、残留变形及切削力的影响。研究结果表明:在切削过程不同的切削阶段中第一变形区的最大等效应力大小总体变化不大;切削速度对工件切出端应力分布的影响不大,切削深度增大使得较大应力分布面积明显增大;刀具切出工件后在工件切出端处会形成塑性延伸变形,塑性延伸长度在切削速度较低时较大,而在切削速度较大时较小且变化不大,塑性延伸长度随着切削深度的增加而增加;切削分力F_x随切削速度和深度的增大而增大,F_y随切削深度的增加而有所增大,但切削速度对F_y的影响较小。切削深度对F_x的影响较切削速度更大。     

用于薄片试样弹塑性应力-应变分析的半解析方法

针对圆弧漏斗薄片试样和圆环薄片试样提出了半解析统一模型,并进行了有限元验证,该模型对漏斗薄片试样与圆环薄片试样单调力学行为均有优良的描述性。完成了漏斗薄片试样与圆环薄片试样的单轴拉伸试验及变幅对称循环试验,获得了载荷-位移曲线和循环稳定载荷幅-位移幅曲线。通过该模型并利用试验曲线预测材料单轴应力-应变关系和循环应力-应变关系,发现根据两种薄片试样预测的材料应力-应变关系及循环应力-应变关系与标准圆棒试样结果吻合良好。