高低周载荷作用下燕尾榫结构的微动疲劳寿命预测

为预测在高周和低周载荷共同作用下,燕尾榫连接结构的微动疲劳寿命,采用高低周等效应力比代替传统经验预测模型中的等效应力,并考虑到摩擦功的影响,对微动疲劳寿命预测经验模型进行改进。通过燕尾榫连接结构的高低周微动疲劳试验,拟合了改进微动疲劳寿命预测模型中的三个系数;采用该模型对相关文献中的燕尾榫连接结构微动疲劳试验结果进行预测,结果表明,微动疲劳寿命预测的最大误差降低了约50%。     

摩擦系数对燕尾榫微动疲劳特性的影响

在燕尾榫连接接头的微动疲劳特性分析中,考虑接触表面质量,即摩擦系数的影响.给出了摩擦系数对接头应力水平、摩擦功和微动磨损参数之间的关系.分析表明：按照传统方法,将摩擦系数取为常数时所确定的裂纹萌生位置偏于危险,由于摩擦系数的变化,裂纹既可能在榫头上萌生,也可能在榫槽上萌生;摩擦系数对接头的切向应力和摩擦功等参数也有一定的影响.     

榫连接结构微动疲劳寿命研究

根据航空发动机叶片和轮盘的榫连接结构接触区域的几何特性,对其微动疲劳接触问题进行了简化.通过有限元方法对简化模型进行数值计算分析,获取相应的应力、应变和位移.将临界平面法和微动损伤机理相结合,提出了一个微动损伤参量,并建立相应的微动疲劳寿命预测模型.将TC11试验件和榫连接构件的微动疲劳试验寿命与预测寿命进行比较分析.结果表明:所建立的微动疲劳寿命模型其预测结果误差分散带均在2倍因子以内.      

圆弧齿榫接结构应力的数值计算与分析

对两圆柱体接触问题和平面接触问题进行分析,探讨了接触区应力的收敛性.对某枞树形圆弧齿榫接结构的接触区应力进行了数值计算和分析.利用有限元软件ANSYS进行了接触分析,对比了梯形齿和圆弧齿榫接结构的应力结果,并采用光弹实验进行了验证.研究结果认为,与梯形齿榫接结构相比,圆弧齿榫接结构使接触应力、第三主应力和等效应力等降低.在此基础上,对圆弧齿榫接结构进行了优化分析,通过优化进一步降低了榫接结构的应力水平.      

某型燃气轮机枞树形榫接结构多齿形参数优化分析

在某型燃气轮机改型设计中发现,涡轮采用的3齿枞树形榫接结构应力集中严重,为避免榫齿出现裂纹、榫头断裂等故障,并降低峰值应力,延长使用寿命,对其形状进行优化设计.分析发现,相同的齿形参数无法获得满意的优化结果,因此,对每对榫齿采用不同的齿形参数进行2维参数化建模.通过试验设计方法,选取对最大当量应力影响较大的参数作为设计变量并进行优化.在满足约束的条件下,获得优化设计结果.结果表明:优化使最大当量应力降低19.93％,各齿应力分布更加均匀.该设计方法确实能提升榫接结构的优化潜力,对其设计与优化具有一定参考价值.     

转子连接结构力学特性稳健设计

针对航空发动机转子结构具有质量/刚度分布不均匀、界面连接和承受大弯曲载荷等结构力学特性,分析了转子连接结构力学特性与界面接触状态之间的关联性,提出适用于工程设计的连接界面滑移和摩擦-疲劳损伤程度的界面接触状态、应变能和摩擦功等定量评估参数。建立了基于连接界面变形协调和转子应变能分布控制的转子连接结构力学特性稳健设计方法。结果表明:通过对转子结构几何特征参数进行优化,提高了连接界面在离心载荷作用下的变形协调性,改善了在工作载荷下转子弯曲应变能分布,可以减少连接界面摩擦-疲劳损伤,从而降低连接结构力学特性对载荷环境的敏感度,保证转子结构力学特性稳健。以高速转子系统中连接结构为例,通过仿真计算验证了带有界面连接的转子连接结构力学特性稳健设计的有效性。     

发动机榫头/榫槽接触问题的可靠性形状优化设计

在结构可靠性形状优化的基础上，推导了接触问题随机有限元的灵敏度解析分析表达式，给出了优化分析的基本步骤，并对某发动机燕尾型榫头／榫槽接触结构，选取榫头齿颈宽和齿面倾斜角为设计变量，以榫头最大拉伸应力、齿面挤压应力及可靠度指标为约束条件，对榫头边界上节点的最大当量应力进行了优化分析。结果表明，优化后榫头和榫槽接触面上的接触压力、当量应力及可靠度指标的分布更加均匀，验证了优化分析模型的合理性及所提出的可靠性形状优化设计方法的有效性，为榫头／榫槽的结构设计提供有价值的参考。     

2024-T351铝合金搅拌摩擦搭接焊接头疲劳性能与寿命预测

通过实验观察2024-T351铝合金搅拌摩擦搭接焊接头焊缝附近区域的焊缝横截面形貌及金相组织。观察表明搅拌摩擦搭接焊接头前进侧与后退侧存在形状不对称的钩状缺陷。将搅拌摩擦搭接焊接头在MTS材料实验机上进行恒幅疲劳加载,得到名义应力幅S-N曲线。根据实验结果建立搭接接头的弹塑性有限元模型,利用SWT疲劳损伤公式和应力集中区域循环应力应变有限元分析结果数据,预测搭接接头疲劳寿命,并将寿命预测结果与实验结果进行对比。结果表明:在低周疲劳寿命范围内,采用SWT疲劳损伤公式对搅拌摩擦搭接焊接头的预测结果与实验结果接近,误差均在2个因子内,但对高周疲劳寿命的预测结果存在较大误差。分析表明,搭接接头的应力集中程度比有效厚度对疲劳寿命的影响更大。     

某机低压1级涡轮盘榫齿振动疲劳试验分析

通过某涡扇发动机低压1级涡轮盘榫齿振动疲劳试验，分析了其榫齿断裂故障的原因。试验结果表明，由于涡轮盘榫齿存在碰伤或加工误差引起盘片配合不良，各齿受力不均，导致榫齿接触应力增大，在振动应力作用下，使叶片短期内疲劳断裂。在采取相应防护措施和控制齿形误差后，此类故障得以排除。     

一种适用于应力疲劳和应变疲劳的通用寿命模型

本文通过应变分布对寿命的影响函数分析,导出了一种适用于应力疲劳和应变疲劳的通用寿命模型。通过应变分布影响系数把应变疲劳与应力疲劳联系起来。该方法不仅可用于构件从应力疲劳到应变疲劳的各类疲劳寿命预测,还可用于构件的疲劳试验模拟件设计。文中列举了各种典型材料的典型应力集中试件的算例。      

单向加载疲劳机上燕尾形榫联接微动损伤试验件设计

 利用变摩擦系数接触边界元方法,对等厚盘燕尾形榫联接表面的接触参数进行了计算分析。并依据其计算结果以及对分离出的榫头／榫槽的受力分析,设计一种在单向加载疲劳机上进行模拟实际工况的燕尾形榫联接微动损伤试验的试验件,将该试验件应用于实际试验,得到了令人满意的结果。     

弧形燕尾榫结构设计及形状优化

为了设计弧形燕尾榫结构,对弧形燕尾型榫及叶片/榫头连接部位的三角过渡段进行研究,设计一种新的叶根型线.在上述工作基础上,建立了叶根型线与榫头顶面的尺寸约束关系,利用ANSYS软件建立叶片/榫头参数化模型,并开展榫头结构及叶根型线的优化设计,结果表明优化后的新结构叶背处的应力为827.11MPa,比原结构下降6.51%;...     

基于连续介质损伤力学的高温微动疲劳寿命预测模型

建立了一种基于连接介质损伤力学(CDM)的高温微动疲劳寿命预测模型用以分析航空发动机榫连接结构在不同温度下的微动疲劳寿命。该模型在现有的基于非线性疲劳损伤累积(NLCD)模型微动疲劳寿命预测模型的基础上,引入温度相关的损伤速率因子以考虑温度对榫连接结构微动疲劳行为的影响。以某型发动机钛合金TC11燕尾榫结构模拟件为研究对象开展不同温度下的微动疲劳寿命数值模拟预测研究,预测结果与试验结果相比在2倍误差范围以内,证明了此寿命预测模型的有效性。      

燕尾形榫联接抗微动损伤修形研究

为了预防和减轻榫联接中微动磨损,提高其抗微动疲劳能力,主要措施有三:第一,在结构设计中,使联接的方式有利于减轻磨损或尽可能地消除接合面;第二,对接触表面作适当的处理,改善表面质量,如表面涂层、离子注入和表面冷加工等;第三,在接触面上加填充物。本文提出用修形方法改变榫联接接合面的形状,改善接触处的有关力学参数,达到减轻联接的微动磨损和提高抗微动疲劳能力的目的。      

桥式试件微动疲劳寿命预测与试验研究

对钛合金桥式试件进行数值分析与微动疲劳试验研究,提出了用MSWT参数预测裂纹萌生位置的方法和基于MSWT参数的微动疲劳寿命预测模型。试验结果与断口分析表明:疲劳裂纹出现在微动试件的接触区边缘,与MSWT参数预测的裂纹萌生位置一致。利用桥式试件的微动疲劳试验数据,获得了寿命预测模型中的相关参数,并采用相关文献中燕尾榫连接结构的试验结果对该预测模型进行了验证。     

基于临界面法的燕尾榫连接结构微动疲劳寿命预测

以航空发动机叶片/轮盘之间的燕尾榫连接结构为研究对象,分析了燕尾榫连接结构接触应力与应变的变化.根据多轴疲劳临界损伤平面原理,在燕尾榫连接结构的微动疲劳寿命预测研究中引入多轴临界平面法的疲劳损伤参数CCB (Chu-Conle-Bonnen),FS (Fatemi-Socie),MSSR (modified shear stress rang)和SWT (Smith-Watson-Topper).将预测寿命与试验寿命进行对比,结果表明:在预测微动疲劳寿命时,4个参数中寿命预测的最大误差为23%,可较好地预测低周微动疲劳寿命.其中基于临界平面法的SWT参数预测误差最小,为1.23%;4个参数均预测裂纹萌生位置在接触区末端,与试验结果一致.在预测裂纹萌生角度上,FS,MSSR,SWT参数预测结果与试验较一致,CCB参数预测结果与试验结果相差较大.说明基于临界平面法的寿命预测模型具有较好的预测能力.      

某机第4级压气机转子叶片榫头折断故障分析

阐明了某机第4级压气机转子叶片在榫头部位断裂的故障特点。故障分析表明：经长期使用的叶片在修理厂大修时，为满足叶片摆动量要求在榫头底面涂尼龙胶，会使叶片自振频率有较大幅度下降；为排除3级叶片折断故障而提高的慢车转速又缩小了4级叶片的共振裕度，结果造成少数4级叶片落入慢车共振。共振发生时，不规则的尼龙胶和装配过程不规范引起的非正常接触容易导致微动磨损的加剧，从而大大降低了疲劳寿命，这是引起榫头断裂故障的主要原因。     

碰摩作用下盘片榫连结构接触特性的响应分析

以某压气机燕尾形榫连结构为研究对象,基于ANSYS有限元软件,建立了盘片的有限元模型.用脉冲力模拟局部碰摩时的碰摩力,分析了两种碰摩情况对榫连结构接触特性的影响,首先分析了侵入量为定值时,不同转速对榫连结构接触特性的影响,接着分析了当转速为定值时,不同侵入量对榫连结构接触特性的影响.研究结果表明:随着转速的升高,榫连结构的最大接触压力和最大接触滑移距离不断的增加,最大接触压力变化规律变得更加复杂,而最大接触滑移距离变化规律逐渐趋于稳定并且最大接触滑移距离之间的变化幅度减小.随着侵入量的增加,榫连结构的最大接触压力以及最大接触滑移距离都会增大,但过大的侵入量将导致最大接触滑移距离发生突变.通过分析不同工况下几个节点接触压力及接触滑移距离的频谱响应,发现碰摩会产生转频的高倍频成分,当转频的倍频成分接近叶片固有频率时会出现倍频幅值放大现象.      

铺层复合材料风扇叶片榫头层间应力分析

采用有限元方法对复合材料风扇叶片榫头在拉伸及拉弯耦合工况下的层间应力特点进行研究。根据榫头结构特点,完成了榫头的铺层设计;基于FiberSIM-ACP软件平台,建立了复合材料风扇叶片榫头有限元分析流程,确定了一种满足层间应力分析精度要求的榫头有限元模型,通过与试验结果对比,证实了该有限元模型的有效性。计算结果表明:拉伸工况下层间正应力S33的高应力区位于叶身开始向叶根过渡的变厚度位置,该位置处靠近压力面的14层铺层承受拉伸应力;切应力S13及S23的高应力区在同一区域,切应力大小与铺层角度息息相关,0°铺层承受较大的切应力S13,±45°铺层同时承受较大的切应力S13和S23。增加弯曲载荷后S33的高应力区向榫头上端延伸,承受拉应力的铺层数量增加;切应力的高应力区靠近榫头承力面,高应力区铺层数量增加。