典型使用条件对发动机涡轮叶片蠕变寿命消耗的影响研究

为开展发动机涡轮叶片使用寿命监视及掌握典型使用条件对高压涡轮叶片蠕变寿命消耗的影响规律,利用发动机性能仿真程序与使用载荷多场耦合分析方法建立了涡轮叶片寿命消耗综合分析模型,并通过引入寿命消耗因子,定量给出了飞行高度、环境温度、飞行马赫数、高压转子转速等使用条件对涡轮叶片温度与应力以及蠕变寿命消耗的影响规律。结果表明,各使用因素均对涡轮叶片的蠕变寿命消耗具有较大影响,其中以高压转子转速的影响最大,转速升高1%其对数寿命消耗因子升高约0.4。     

航空发动机使用寿命监视研究

阐明了发动机使用寿命监视系统的组成及寿命监视过程,重点介绍了使用寿命的确定方法和计算模型.通过对发动机飞行参数进行筛选,提取影响寿命的参数,可计算出某次具体飞行所消耗的寿命,为使用和维修提供参考依据.     

某型航空发动机寿命试车程序研究

在某型航空发动机使用载荷分析基础上，将发动机实际使用载荷(主要包括低循环疲劳载荷、蠕变载荷、高周疲劳载荷)融入寿命试车程序中，编制出该型发动机寿命试车程序。本文建立的在使用载荷分析基础上编制发动机寿命试车程序的方法以及编制的寿命试车程序，对于其他型号发动机的寿命试车也具有重要的参考价值。     

某航空发动机热端件寿命消耗计算模型及寿命监视

在航空发动机热端件寿命消耗模型中考虑了离心负荷、热负荷及蠕变的影响。在计算中通过对一般军用发动机飞行剖面的数据处理提取出影响寿命的３个主要循环进行其寿命消耗的计算。应用线性累积损伤理论将各种形式的寿命消耗百分数叠加以得到每次飞行发动机的寿命消耗和剩余寿命。以航空发动机高压涡轮盘作为算例，针对榫槽第二喉部、轮缘与腹板连接处和盘中心孔三危险处进行了寿命消耗计算。按本文模型编制的计算程序可对发动机热端件进行实时寿命监视     

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。      

涡轮盘持久及低周疲劳寿命可靠性评估

为评估涡轮盘持久及低周疲劳寿命可靠性,考虑涡轮盘材料及载荷的分散性,采用响应面法与蒙特卡洛法相结合的方法,建立涡轮盘持久寿命可靠性分析模型。对给定中间以上状态工作时间400 h的涡轮盘进行持久寿命可靠度计算,并考察应力松弛效应对涡轮盘持久寿命的影响。在持久寿命可靠性分析的基础上,根据Miner线性累积损伤理论,对考虑蠕变损伤的涡轮盘低周疲劳寿命进行可靠性评估。结果表明,该涡轮盘满足400 h持久寿命、寿命安全系数1.5,及1 500周低周疲劳寿命、寿命安全系数2.0的使用要求。     

应力集中对GH2036合金低周疲劳—蠕变性能的影响

在对光滑试件和缺口试件进行高温疲劳－蠕变实验的基础上,分析了应力集中对ＧＨ２０３６合金低周疲劳－蠕变特性的影响。结果表明缺口试件的循环寿命远远低于光滑试件的循环寿命。将应变范围划分方法和改进的Ｎｅｕｂｅｒ原理相结合,得到了缺口部位高温低周疲劳－蠕变寿命估测的方法。用该方法估算ＧＨ２０３６合金的寿命并与实测寿命结果进行比较,证明此方法的预测效果良好。     

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.      

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。     

飞机消耗寿命计算方法研究

对飞机单机疲劳寿命监控使用的飞机消耗寿命计算的各主要技术问题做了相应的论述、推导和证明;提出了３种飞机消耗寿命计算方法;建立了飞机消耗寿命与设计使用寿命之间的换算关系,为飞机单机疲劳寿命监控课题的消耗寿命计算和剩余寿命计算提供了一个既简单又适用的方法。     

航空发动机涡轮叶片疲劳—蠕变寿命试验技术研究

涡轮叶片是航空发动机工作环境最恶劣,结构最复杂的零件之一,也是发动机断裂故障多发件之一。由于发动机工作时涡轮叶片始终在高温下承受复合载荷的作用,因此在涡轮叶片定寿中,不能将叶片的蠕变和疲劳寿命割裂开,而必须充分考虑疲劳—蠕变交互作用的影响。目前理论上对结构疲劳—蠕变寿命的预测方法还很不完善,故对涡轮叶片开展疲劳—蠕变寿命试验研究是叶片设计和定寿工作中的重要环节。本文对涡轮叶片疲劳—蠕变试验技术进行了综合论述。文中特别强调了试验载荷谱确定和叶片模拟试验件设计的关键技术环节,同时还介绍了一种专门适用于叶片疲劳—蠕变试验的基于机电伺服加载系统的疲劳蠕变综合试验器。      

国外航空发动机关键件定寿和延寿方法分析

为获得航空发动机关键件的最大安全使用寿命,在国际航空领域开发了多种寿命评定方法。针对国外军、民用航空发动机通用规范对关键件的安全性要求,深入分析了5种定寿方法和基于裂纹扩展寿命、改进的统计方法、风险评估等方向研究发展起来的３种关键件延寿方法的原理、使用范围、使用条件以及安全性等问题。根据假设的轮盘试验结果,采用预定安全循环寿命法计算了轮盘的安全寿命,并分别运用改进的统计法和简化的风险模型进行了轮盘延寿的计算和分析     

基于飞行数据的航空发动机寿命监视系统设计

对飞行数据中反映发动机寿命损耗的参数进行处理,即野点剔除、峰谷点检测、无效幅值去除,在此基础上,应用一种新的实时雨流计数方法形成可用于寿命计算的标准循环,对发动机寿命影响较大的主要循环进行寿命消耗统计,应用线性累积损伤原理得到每次飞行后的使用寿命消耗百分数。设计了基于飞行数据的某型发动机寿命监视系统,并且建立寿命消耗数据库,为使用和维修该型发动机提供了重要的参考依据。     

涡轮叶片耦合疲劳寿命预测与试验验证

为了解决涡轮转子叶片在温度、离心力和气动/噪声联合载荷作用下的疲劳强度问题,开展了高低周复合载荷谱分解方法和基于高低周载荷的全时域蠕变损伤累积模型研究,提出了同时考虑蠕变损伤、低周疲劳损伤和高周疲劳损伤的耦合疲劳寿命预测方法。同时,通过正交载荷解耦和耦合载荷协调加载控制等关键技术的应用,开发了高温环境下的高低周复合疲劳试验平台。最终,基于设计的涡轮叶片模拟件,完成了耦合疲劳寿命预测和试验验证。结果表明:模拟试件的耦合疲劳寿命试验结果分散系数为1.01,耦合疲劳寿命的预测结果与试验结果偏差小于24%,从而验证了疲劳寿命预测模型的正确性,为我国航空发动机热端部件的疲劳强度设计和验证提供了有效的技术途径。      

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。     

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。     

涡轮叶片-榫头-轮盘的蠕变与低循环疲劳寿命预测

为获得小型涡扇发动机的涡轮转子结构的预期寿命,通过对涡轮叶片-榫头-轮盘结构进行一体化建模,利用经典寿命预测方法对其蠕变持久寿命与低循环寿命进行了预测。首先,分析了各部位温度分布和应力-应变分布,确定寿命关键点,利用Larson-Miller方程计算叶片的蠕变持久寿命,然后采用Manson Coffin方程计算整个结构的低循环疲劳寿命。计算结果表明,由于载荷剖面下的工作温度较低,叶片的蠕变损伤极小,而由于榫头/榫槽部位存在应力集中,其低循环疲劳预期寿命仅有102次循环。     

单晶涡轮叶片三维晶体取向相关性能分析及优化

采用单晶正交各向异性弹性本构关系,分析了三维晶体取向对单晶涡轮叶片应力分布、蠕变寿命、低周疲劳寿命及叶尖径向位移的影响.结果表明,三维晶体取向对单晶叶片上述性能存在显著影响,且3个取向角之间相互耦合,偏差角对叶片性能的影响随着随机角的方位而变化,随机角对叶片性能的影响也随着偏差角的角度而不同.在此基础上,应用ISIGHT构建了单晶叶片全三维取向优化平台,以蠕变寿命、低周疲劳寿命及叶尖最大径向位移为优化目标,采用邻域培植多目标遗传算法进行了叶片三维取向优化,所得Pareto解聚集在偏差角12°的区域内.选择寿命最长的Pareto解作为最优解,相对于初始强度计算点,蠕变寿命提高6倍,低周疲劳寿命提高37倍,叶尖最大径向位移减小2.5%.      

航空发动机主轴疲劳寿命预测方法研究

对航空发动机主轴疲劳寿命分析多采用斯贝MK202发动机应力标准EGD-3中提供的方法。本文以某涡轮轴为对象,基于EGD-3方法,分别采用通过查表和有限元法计算得到的应力集中系数进行寿命估算,并利用应力修正系数法对主轴低周疲劳寿命分析,并将结果与传统名义应力法计算结果对比。结果表明：运用应力修正系数法估算主轴低周疲劳寿命结果与EGD-3查表结果相当,是可行的;在高低周载荷下,使用有限元法计算应力集中系数的EGD-3方法计算的主轴疲劳寿命更符合实验结果。     

30CrMnSiA缺口试样低周疲劳寿命研究

缺口会导致严重的应力集中,并降低结构的使用寿命,研究缺口部位的低周疲劳寿命具有重要意义。基于弹塑性全量理论建立30CrMnSiA材料的弹塑性本构关系,采用损伤力学-有限元法预测30CrMnSiA材料缺口试样的低周疲劳寿命,并与相应的试验结果进行对比。结果表明:基于弹塑性全量理论建立的弹塑性本构关系方法合理,采用损伤力学方法得到的疲劳寿命预测结果基本满足工程实际要求,该方法可用来对30CrMnSiA缺口试样进行低周疲劳寿命预测。