各向异性单晶叶片强度寿命研究—第I部分:晶体滑移本构模型及应用

单晶叶片技术是提高航空发动机及地面燃气轮机性能、寿命及可靠性的关键技术之一，但单晶材料机械、力学性能的各向异性特性制约了其发展和应用，对其工程应用及应用的理论基础提出了挑战。课题组开展了各向异性单晶叶片强度分析和寿命预测方面的一些研究工作。包括：建立并验证了弹塑性、蠕变滑移本构模型及蠕变持久寿命预测方法；进行了不同晶体取向DD3单晶在不同温度、不同速率或不同温度、不同应力水平下的拉伸试验及蠕变试验，这些实验数据及由其反映的单晶中、高温各向异性特性对单晶材料的应用具有重要意义。此外还进行了某种单晶叶片的实验研究。作为上述研究的应用，对某发动机单晶涡轮叶片进行了强度分析和寿命预测。本文这一部分介绍本构模型及应用，实验研究将在第II部分介绍。     

单晶涡轮叶片材料本构模型及应用研究

综述了各向异性单晶叶片强度分析和寿命预测方面的一些研究工作。这些工作包括:建立并验证了弹塑性、蠕变滑移本构模型及蠕变持久寿命预测方法;进行了不同晶体取向DD3单晶在不同温度、不同速率或不同温度、不同应力水平下的拉伸试验、蠕变、疲劳及热疲劳试验;开发了大型单晶结构有限元分析软件SLAPSC和ABAQUS的umat;用双剪切试样和模拟叶片等系列试验对模型和有限元进行考核。作为应用研究,对某发动机单晶涡轮叶片进行了强度分析和寿命预测。      

涡轴发动机组合压气机转子轴向预紧力计算方法

采用PATRAN软件建立了涡轴发动机组合压气机转子轴向预紧力的三维循环对称有限元计算模型,用MSC/MARC分析软件进行了计算分析,确定了转子中心拉杆和小拉杆的轴向预紧力,并在组合压气机转子的相关试验中对计算结果进行了验证。本文的研究为同类转子的轴向预紧力计算进行了有益的探索。      

基于等效等时应力应变曲线的金属材料多工况蠕变分析

为了在工程设计阶段评估涡轮叶片在多工况下的蠕变变形,基于单工况的等时应力应变曲线,提出了一种等效等时应力应变曲线的方法,并与发动机持久试车实例进行了分析比较。结果表明:基于等效等时应力应变曲线方法所计算的涡轮叶片卸载后的残余变形与发动机持久试车结果的相对误差的平均值为15.30%,而通常所采用的基于二维梁理论和基于时间步的三维有限元分析方法所计算的相对误差的平均值分别为45.35%,31.14%,表明该种方法具有较好的工程应用性。     

采用壳体应变应力状态的正交异性体─壳过渡元

采用壳体应变-应力状态的过渡元推广于正交各向异性材料, 以解决壳体法线与一个材料主轴重合的正交异性体-壳组合结构的应力分析问题。算例表明:采用本文建立的过渡元计算正交异性体-壳组合结构是有效的, 精度能满足工程要求, 并能节省计算时间。      

各向异性单晶叶片强度寿命研究—第Ⅱ部分:实验研究

单晶叶片技术是提高航空发动机及地面燃气轮机性能、寿命及可靠性的关键技术之一，但单晶材料机械、力学性能的各向异性特性制约了其发展和应用，对其工程应用及应用的理论基础提出了挑战。课题组开展了各向异性单晶叶片强度分析和寿命预测方面的一些研究工作。包括：建立并验证了弹塑性、蠕变滑移本构模型及蠕变持久寿命预测方法；进行了不同晶体取向DD3单晶在不同温度、不同速率或不同温度、不同应力水平下的拉伸试验及蠕变试验，这些实验数据及由其反映的单晶中、高温各向异性特性对单晶材料的应用具有重要意义。此外还进行了某种单晶叶片的实验研究。作为上述研究的应用，对某发动机单晶涡轮叶片进行了强度分析和寿命预测。本文这一部分介绍试验研究工作，本构模型及其应用已在本文第I部分作了介绍。     

某型航空发动机燃气涡轮转子组件有限元分析

在某型航空发动机试车后,发现涡轮盘、导流盘和封严环组件的压紧螺母与封严环之间出现间隙,为此,对该组件进行了有限元计算分析。计算中考虑了接触、过盈配合及摩擦力,探讨了压紧螺母松动的原因,提出了改进措施,并在实践中进行了验证。     

晶体取向的偏差和随机性对镍基单晶叶片强度与蠕变寿命的影响

本文提出双参数蠕变损伤模型用以模拟镍基单晶合金叶片的强度和寿命。该模型得到单轴应力状态和模拟叶片、双剪切试样复杂应力状态的考核。叶片分析表明:单晶叶片轴向的偏角增大,强度的分散性变大。两个不受控的晶体取向变化时,滑移系的分切应力最大有15%的变化;轴向的偏角的增大,寿命的分散性变大,15°的偏角,寿命偏差6倍。两个不受控的晶体取向变化时,寿命有50%的变化。结果表明:对叶片进行3维取向优化,可以提高叶片的蠕变寿命。      

复合材料壳体与喷管卡环连接结构分析

用大变形接触有限元程序对复合材料壳体与喷管卡环连接结构进行了分析, 计算结果表明卡环连接结构能可靠地连接和密封, 结构应力低, 是可行的。本文还讨论了某些结构参数对密封效果的影响, 通过计算说明在卡环连接结构中应使用潜入式接头。计算还表明将复合材料旋转壳视为等效正交异性轴对称体进行计算, 能得到令人满意的结果。      

单晶叶片应力分析方法及应用

从单晶变形机理出发,采用晶体滑移理论,给出了单晶弹塑性蠕变滑移本构模型。建立了全新的有限元列式,并用于某气冷单晶涡轮叶片弹塑料性蠕变应力分析。