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。      

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。     

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。     

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。     

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。     

含缺陷轮盘失效概率分析流程与数值模拟

传统的涡轮盘寿命预测方法未考虑材料初始缺陷，因而无法对带缺陷轮盘进行较准确的寿命预测。本文以加工制造过程中产生的不同缺陷分布特征为基础，重点针对加工导致的孔表面缺陷以及与材料固有的表面、亚表面及内部缺陷，开展航空发动机涡轮盘的失效概率分析。考虑了初始缺陷、应力、检测时间、检测水平等多种随机性对涡轮盘失效概率的影响，建立了含缺陷涡轮盘的失效概率分析流程。为提高计算效率，对轮盘固有缺陷的分析方法进行改进，对轮盘重新分区，并将表层细分为表面、亚表面、内部三部分分别进行计算。通过编写C++程序分析并验证了含缺陷轮盘失效概率分析方法的可行性，获得的结论具有工程应用参考价值。本文方法在满足一定精度的同时具有较高的计算效率，并对应力水平、检测时间的分散性和模拟次数等对失效概率的影响进行了讨论。     

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.      

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。     

粉末冶金涡轮盘破裂转速分析与验证

结合改进前粉末冶金涡轮盘的破裂情况、断口分析和破裂转速分析方法,从提高总体强度、降低局部应力和应变、降低残余变形、控制加工工艺等方面,采取增大倒圆、增加辐板厚度等方法对粉末合金涡轮盘进行了结构和工艺上的改进。通过对比分析改进前后涡轮盘的局部应力应变、整体屈服强度储备和残余变形,及后续的涡轮盘破裂转速试验均表明,本文采取的改进措施效果明显,能显著降低破裂位置处的局部应力、提高径向屈服强度及降低盘缘残余变形。     

轮盘低循环疲劳寿命预测方法研究及试验验证

针对轮盘低循环疲劳载荷非对称及其主要寿命区限,提出了一种简化的Walker应变寿命预测模型,在寿命预测中考虑了轮盘危险部位数目的影响.进行了GH4133材料轴向应变控制的低循环疲劳试验;设计了涡轮盘低循环疲劳试验件,在旋转试验器上进行了涡轮盘的高温低循环疲劳试验.结果表明:轮盘低循环疲劳寿命预测方法是有效的,对试验涡轮盘的寿命预测精度在2倍散度以内.     

航空发动机高负荷涡轮盘双辐板结构优化设计

转速高负荷重的涡轮盘是发动机重量大户,采用单辐板结构设计难以有效减轻重量。提出并建立了涡轮盘双辐板结构优化设计数学模型及方法,筛选了涡轮盘子午面形状设计参数,建立了应力约束条件,利用AN-SYS优化平台,编制了轮盘结构优化程序。针对典型高负荷涡轮盘结构优化问题,分别进行了单辐板盘和双辐板盘结构优化设计,结果表明,在满足轮盘变形、强度要求的条件下,双辐板盘比单辐板盘重量可减少25.3%,应力分布更均匀,说明对于高负荷涡轮盘,双辐板盘具有明显的优势。     

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%。     

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。      

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。      

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。     

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。      

涡轮盘结构可靠性与稳健性综合优化设计

初步建立1种综合考虑结构疲劳可靠性与稳健性的航空发动机涡轮盘优化设计方法。根据涡轮盘的结构设计准则,以轮盘的轻质化和低循环疲劳寿命的稳健性作为目标,以结构强度和疲劳可靠性作为约束,采用随机优化方法对轮盘进行优化设计。设计结果表明:由于量化考虑了轮盘的安全性,所以能够得到更精确的约束,从而使轮盘设计质量更轻;而针对稳健性的优化,则降低了低循环疲劳寿命对载荷和材料参数波动的敏感性,提高了涡轮盘的稳健性。     

航空发动机自由涡轮盘低循环疲劳寿命试验研究

针对某型航空发动机适航取证项目要求，对该发动机自由涡轮盘开展寿命研究。综合考虑自由涡轮盘标准工作循环内 温度场和转速载荷，采用线弹性有限元应力分析法对轮盘进行应力分析，据此确定轮缘和盘心为轮盘应力水平及疲劳寿命的关键 考核部位；充分考虑试验器能力及试验过程的可监控性等因素，设计并开展了能够对该自由涡轮盘关键部位进行有效考核的试验 载荷系数为1 的试验器循环疲劳试验；根据试验结果对轮盘低循环疲劳寿命进行分析。结果表明：该自由涡轮盘的预定安全循环 寿命为6500 次。     

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。     

基于归一化参数模型的涡轮盘和涡轮叶片蠕变分析

为完整描述构件3个阶段的蠕变变形计算,结合所发展的各向同性材料的归一化参数蠕变模型,进一步拓展到正交各向异性材料的归一化参数蠕变模型并进行适用性验证。应用所编制的子程序对高温材料涡轮盘和定向结晶材料涡轮叶片结构,进行了蠕变变形及应力松弛效应计算分析。结果表明：经过一定时间的蠕变变形,涡轮盘和涡轮叶片的高应力区会出现应力松弛。总体上轮盘的应力分布更加均匀,静力分析得到的轮盘中心孔、螺栓孔边和轮缘辐板过渡段处高应力区,由于存在蠕变变形,均出现较明显的应力松弛,但是盘中心孔处的应力松弛幅度较小,可能长时间处于高应力状态,应作为结构设计的危险部位重点考查;涡轮叶片也具有同样的应力松弛蠕变效应,特别是随着蠕变变形的增大,叶尖径向变形(位移)逐渐增大,在结构设计中,应考虑叶片叶尖与机匣长期工作径向碰摩而带来的不利影响。