考虑应力梯度的轮盘疲劳寿命预测

考虑应力梯度和尺寸效应对寿命的影响,通过引入应力梯度影响因子,将缺口试件与光滑试件的疲劳寿命相关联,建立了基于Walker平均应力修正的缺口试件寿命预测模型,进而结合三维弹性有限元分析对发动机涡轮盘进行了寿命预测.结果表明:所发展的寿命模型能较好地反映影响疲劳寿命的多种因素,尤其是应力集中对试件疲劳寿命的影响,综合考虑平均应力、应力梯度和尺寸效应的轮盘寿命预测结果更接近试验值,对GH901标准试件和轮盘的疲劳寿命预测结果都在2倍分散带以内.      

轮盘低周疲劳模拟件设计及试验

航空发动机轮盘长时间在交变大载荷下工作,其盘心、螺栓孔、端齿等应力集中的特征部位容易发生低周疲劳失效。为准确评估轮盘特征部位的疲劳寿命,需设计反映应力梯度的模拟件并开展相应的疲劳试验,从而为发动机结构设计提供重要依据。现有的模拟件设计方法通常保证危险点一定范围内的应力/应变分布与真实构件的一致,但这些方法对“一定范围”的定义缺乏理论依据且未能形成统一认识。为此,提出了一种临界距离范围内SWT参量分布一致的模拟件设计方法,建立了轮盘盘心、螺栓孔、端齿等危险部位的模拟件设计方法,并开展了模拟件的低周疲劳试验。将端齿模拟件100%转速对应的平均疲劳寿命与轮盘旋转疲劳试验结果对比,相对误差为7%,且均为表面薄弱晶面起裂。最后,讨论了该模拟件设计方法的稳健性。     

考虑应力比修正的应力梯度影响指数计算方法

基于考虑应力梯度的寿命预测模型,深入研究了不同应力比对应力梯度影响指数的影响。通过引入新的参数,对模型进行修正,并以典型合金的试验数据为基础,进行寿命预测并考核计算精度。结果表明:修正后的模型能够更合理地考虑局部应力比对应力梯度影响指数的影响,寿命预测结果相比于修正前更接近试验值,对TC4(200 ℃)、GH4169(500、650 ℃)缺口试件的疲劳寿命预测结果多在2.0倍分散带以内,部分数据的预测结果可在1.5倍分散带以内。      

发动机轮盘低循环疲劳寿命试验模拟件设计

通过研究影响疲劳寿命的众多因素及寿命估算误差较大的原因,得出考核部位的应力梯度也是影响疲劳寿命的重要因素之一,并据此研究了一种模拟件,该模拟件可以根据给定应力曲线,通过优化计算几何参数,使模拟件最大主应力及应力梯度与实际构件考核部位的应力一致.其设计以ANSYS为平台.经实验验证,与实际构件寿命非常接近.该模式为机械部件低循环疲劳试验提供了一种简单且费用很少的方法.      

考虑应力梯度的缺口疲劳寿命预测方法

基于试样缺口根部区域应力分布规律,综合考虑了平均应力、应力梯度及尺寸效应的影响,发展了一种考虑梯度影响的缺口疲劳寿命预测方法.以TC4合金材料含两种形式缺口的试样为例,计算得到了缺口应力梯度影响因子和尺寸效应影响因子,并进行了疲劳寿命预测.寿命预测结果表明:引入缺口局部平均应力、应力梯度影响因子和尺寸效应影响因子可以较为全面地考虑缺口对试样疲劳寿命的影响,基于所发展的缺口疲劳寿命预测方法给出的TC4合金缺口试样疲劳寿命预测结果在2倍分散带以内.      

涡轮盘/榫整体结构优化设计方法

考虑到榫联接和轮盘子午面在结构设计时的相互影响,针对典型的枞树型榫联接,提出了通用的榫联结构/轮盘子午面分步优化设计、总体协调的涡轮盘/榫整体结构优化设计方法.基于ANSYS优化平台及参数化建模技术,筛选了优化设计变量,以涡轮盘/榫整体结构总质量最小为优化目标,以涡轮盘/榫联结构关键应力为约束,建立了涡轮盘/榫整体结构优化设计的数学模型.通过对某型发动机涡轮盘和榫联结构设计方案进行结构优化设计,在满足所有几何约束及强度要求的条件下,二齿及三齿盘/榫结构优化后总质量都有明显降低,说明涡轮盘/榫整体结构优化设计方法的合理性;且二齿盘/榫结构的总质量较三齿盘/榫结构明显减小,榫槽底部最大第一主应力也明显降低.任意榫齿数可选的通用涡轮盘/榫整体结构优化设计方法及平台可适用于不同涡轮的结构设计,具有较强的工程实用性.      

叶根倒角模拟件设计

为了避免涡轮叶片叶根倒角低周疲劳开裂故障的发生,需借助叶根倒角特征模拟件对叶根低周疲劳强度进行考核。基于几何等效相似和载荷工况等效原则,设计了一种真实叶根倒角的特征模拟件。特征模拟件的榫头/叶身沿着周向投影宽度比例、缘板外侧与榫头外侧距离、缘板厚度、倒角半径等重要几何参数均与真实叶片一致。基于线弹性本构,采用Abaqus软件计算了特征模拟件在等效载荷工况下的应力分布。计算结果表明,特征模拟件的最大应力为187.6 MPa,出现在凸台过渡区倒角处,最危险点第一主应力方向为l₁=0.1141、m₁=0.9873、n₁=-0.1103,均与真实叶片对应部位的应力情况吻合,说明该叶根倒角特征模拟件设计合理,可用于考核真实涡轮叶片倒角的低周疲劳强度。     

基于遗传算法的榫槽部位模拟件设计方法

航空发动机构件的模拟件设计方法已成为工程领域研究的重要内容。设计出能反映实际构件真实服役状态的模拟件,可节约试验成本和周期,对构件有效地完成试验考核具有重要意义。针对航空发动机榫槽部位应力分布情况,将遗传优化算法与商用有限元软件ABAQUS相结合,提出航空发动机榫头/榫槽特征部位模拟件设计方法。利用该方法实现自动搜索榫头/榫槽特征部位处第1主应力最大梯度路径,并获取该路径上的应力分布。结果表明：该方法设计的模拟件最危险点的应力状态与零部件特征部位处的应力状态保持一致,二者在最危险点附近一定区域内应力梯度相同;所设计的模拟件与零部件的应力状态吻合较好,可以模拟任意情形下的应力及应力梯度。     

某压气机轮盘榫槽低循环疲劳模拟件设计与试验

提出了一种模拟件技术并结合少数构件试验评价构件寿命可靠性的方法.以某型发动机一级压气机轮盘为对象,应用该方法进行了关键部位榫槽的模拟件设计和低循环疲劳寿命考核试验.模拟件低循环疲劳寿命可靠性试验技术的结果表明,该方法为航空发动机真实构件寿命可靠性评价提供了一种新的途径.      

基于ANSYS的多辐板风扇盘结构 优化设计技术

基于ANSYS优化平台,建立了风扇盘子午面优化设计模型,筛选了主要的优化设计变量.针对典型风扇盘设计问题,分别进行了单辐板及多辐板结构优化设计.结果表明,在满足轮盘变形、强度要求的条件下,多辐板风扇盘比单辐板风扇盘可明显减轻质量,并且其应力分布更为均匀,说明对于轮缘较宽的风扇盘,多辐板轮盘结构具有明显优越性.同时,多辐板轮盘结构还有利于增强轮缘弯曲刚度.      

单向M40J/5228A复合材料在真空热循环作用下诱发热应力的数值模拟

对单向M40J/5228A复合材料进行了真空热循环试验(93～413K,10-5 Pa),利用MSC.Marc2001有限元分析软件对复合材料内的交变热应力分布进行了数值模拟.结果表明,真空热循环导致的累积残余热应力会引起复合材料出现局部脱粘,并且使复合材料界面层附近出现应力集中.     

某微小涡喷发动机压气机减重设计研究

提高航空发动机的推重比,使发动机最大程度实现轻量化,对微小涡喷发动机压气机的减重设计具有重要意义。对某实心压气机开展有限元计算,得到应力、变形等重要强度考核数据,作为减重优化的设计约束空间。在此基础上,借助等强度结构高强度、高刚度特性,对离心压气机盘的实心部分进行减重优化设计。对比优化前后压气机的承受载荷能力。结果表明:在Mises等效应力小幅增加、叶尖径向位移不显著增加的条件下,压气机减重可达20.3%。     

基于漏磁与磁阻系数迭代的三自由度混合型磁悬浮轴承的设计

提出一种基于漏磁与磁阻系数迭代计算的参数设计方法,将软磁材料内部磁场的磁通密度非饱和作为约束条件,以满足最大悬浮力条件下的体积最小化为优化设计目标,通过循环迭代的方式计算各部分漏磁系数与磁阻系数,最后得到该三自由度混合型磁悬浮轴承各部分的结构参数.利用有限元电磁场分析软件对其进行三维电磁场建模与仿真分析,仿真结果验证了该参数设计方法及其结果的合理性与正确性.给出了静态起浮、悬浮、冲击、转速为30000r/min时转轴位移与控制电流的波形.实验结果表明:基于该方法设计出的三自由度混合型磁悬浮轴承具有良好的悬浮特性.      

T700/9916复合材料层合板恒温吸湿行为研究

研究T700/9916碳纤维增强复合材料(CFRP)层合板在湿热环境下的吸湿行为.通过测试CFRP层合板在T=70℃恒温水浴和T=70℃相对湿度为98％,91％和84％的环境下的吸湿性能,获得吸湿曲线.结果表明水浸试样相对质量增量趋于平衡时,其他各组试样的相对质量仍线性增加.使用一维Fick模型对实验结果进行分析,得到材料的理论吸湿数据比实验结果整体偏小.通过实验和有限元模拟相结合的方法计算获得材料的扩散率和溶解度,并对不同条件下的吸湿行为进行模拟,模拟结果与实验结果吻合较好,说明通过模拟能够获得材料的长期吸湿动力学曲线和试样内部的水分分布情况.     

一种考虑齿轮副连续啮合过程的接触有限元动力学分析方法

在系统分析齿轮副连续啮合过程不同典型啮合状态特点的基础上,提出了一种可以考虑齿轮副连续啮合过程中啮合齿对变化,受载弹性变形以及滑动摩擦等影响因素的接触有限元分析方法.利用该方法对三种考虑不同因素的齿轮副模型进行了对比分析,并得到了各种因素对齿轮副连续啮合过程动态传递误差及动态接触力特性的影响.研究表明:该方法可以真实模拟齿轮副连续啮合过程中单、双齿对啮合及其交替啮合状态的动力学特性,包括滑动摩擦引起的节点冲击,受载弹性变形引起的啮入、啮出冲击以及时变刚度等激励特性;并可以得到啮入、啮出冲击的大小及作用时间,以及滑动摩擦和齿廓修形对动态啮合特性的影响;动态啮合特性分析结果与齿轮副连续啮合状态的特征完全吻合.      

弧线齿面齿轮应力过程分析

为了给弧线齿面齿轮的齿面接触强度和齿根弯曲强度设计提供理论依据,研究了弧线齿面齿轮的齿面接触应力和齿根弯曲应力随载荷和安装误差的变化规律.在齿面接触分析和承载接触分析的基础上应用弹性理论计算了弧线齿面齿轮副的齿面接触应力和应用有限元应力影响矩阵法计算了该齿轮副的齿根弯曲应力.给出了数字计算实例,计算结果表明:齿面接触强度和齿根弯曲强度在重载时的接触强度和弯曲强度由单齿啮合区的强度决定,轴向安装误差和轴夹角安装误差分别会增加齿面接触应力和齿根弯曲应力,轴夹角安装误差和轴间距安装误差对齿面接触应力影响甚小,而轴向安装误差和轴间距安装误差可以降低齿根弯曲应力,与直齿面齿轮相比,弧线齿面齿轮的接触和弯曲应力明显减小.      

某微型涡喷发动机总体结构设计

介绍了一种245 N推力微型涡轮喷气发动机结构设计的方法和过程.分别介绍了转子系统、燃烧室、润滑冷却系统的设计过程以及试车中遇到的结构问题和解决方法.设计采用有限元与实验结合的方法,结果表明该发动机满足设计要求.该设计经验为微型涡喷发动机系列化设计提供参考依据.