FGH96涡轮盘低循环疲劳寿命分析技术与试验

分析FGH96涡轮盘的尺寸效应,分析了分别适合于FGH96亚尺寸盘和全尺寸盘的低循环疲劳寿命预测方法.成功设计了FGH96亚尺寸盘、全尺寸裂纹扩展盘试验件;通过低循环疲劳试验,展现了两种不同的低循环疲劳失效机理,验证了提出的低循环疲劳寿命预测方法;通过裂纹扩展试验,获得了FGH96全尺寸轮盘的裂纹扩展特性,揭示了FGH96全尺寸涡轮盘与紧凑拉伸试样裂纹扩展特性具有显著差别的客观规律;获得FGH96全尺寸涡轮盘580℃损伤容限值,明确某发动机高压涡轮盘损伤容限水平.      

涡轮盘销钉孔损伤容限分析新方法及其应用

本文提出温度及离心载荷作用下三维构件损伤容限分析方法。该方法采用新型双重边界元法分析温度及离心力载荷作用下的涡轮盘三维裂纹应力强度因子 (SIF) ,并结合 Paris公式及 Euler法获得涡轮盘销钉孔边裂纹扩展形状及裂纹扩展寿命 ,进而采用二次估计方法获得涡轮盘裂纹扩展寿命修正值。利用新型双重边界元法分析了销钉载荷、温度场、裂纹形状对轮盘孔边三维裂纹应力强度因子的影响 ,并对以往涡轮盘销钉孔边裂纹扩展寿命分析工程方法的近似性进行了讨论。文中算例表明采用本文方法分析复杂载荷三维裂纹扩展寿命具有效率高、建模方便的优点。     

Analysis technology and experiment for FGH96 disc＇s LCF life

分析FGH96涡轮盘的尺寸效应,分析了分别适合于FGH96亚尺寸盘和全尺寸盘的低循环疲劳寿命预测方法．成功设计了FGH96亚尺寸盘、全尺寸裂纹扩展盘试验件;通过低循环疲劳试验,展现了两种不同的低循环疲劳失效机理,验证了提出的低循环疲劳寿命预测方法;通过裂纹扩展试验,获得了FGH96全尺寸轮盘的裂纹扩展特性,揭示了FGH96全尺寸涡轮盘与紧凑拉伸试样裂纹扩展特性具有显著差别的客观规律;获得FGH96全尺寸涡轮盘580℃损伤容限值,明确某发动机高压涡轮盘损伤容限水平．     

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。     

涡轮盘的损伤容限分析

本文是“断裂力学在涡轮盘上应用”课题研究的总结。研究工作紧密结合某发动机Ⅰ级涡轮盘槽底裂纹的实际问题,得出涡轮盘损伤容限设计方法。根据工程实际,提出适于涡轮盘裂纹尖端参量J积分计算的二次计算法,及确定涡轮盘临界裂纹长度a_(IC)的准则和方法。在裂纹扩展寿命计算中,采用大量实际统计数据修正计算公式,故有工程应用价值。     

粉末冶金涡轮盘的应用及寿命研究

介绍粉末冶金轮盘在国外的实际应用情况。以美国Ｒｅｎｅ９５粉末冶金涡轮盘为例，综述了国内外对粉末冶金盘合金材料力学特性、疲劳寿命、裂纹扩展特性研究的成果，并对涡轮盘的应力分析技术以及寿命研究发展进行了评述。提出了我国粉末冶金涡轮盘寿命研究的重点和方向。     

一种多部位损伤全寿命分析的工程方法

提出了一种多部位损伤全寿命分析的工程方法,该方法包含3部分内容。对多裂纹萌生问题,通过研究多细节结构中裂纹萌生机理,将裂纹萌生寿命的取值事件转化为3个独立事件的积事件,前者的发生概率等于3个独立事件发生概率的乘积,3个独立事件的发生概率可由单细节结构裂纹萌生寿命的概率分布求得。从而可由单细节结构裂纹萌生寿命概率分布得到多细节结构中依次出现的各条裂纹的萌生寿命的概率分布。对多裂纹扩展问题,先通过有限元方法计算出多裂纹指定长度组合下的应力强度因子,然后引入响应面法,定量地建立了裂纹长度与应力强度因子之间的函数关系,由响应面模型得到多裂纹任意长度组合下的应力强度因子,最后采用循环接循环法进行裂纹扩展分析。对多裂纹结构失效分析,采用亚临界条件判断结构是否失效,认为结构上萌生的首条裂纹与第2条裂纹的位置相邻,裂纹发生首次连通时,结构失效。进行了单细节带孔板与多细节带孔板的裂纹萌生扩展试验,并对多细节带孔板的裂纹萌生扩展寿命和首次裂纹连通寿命进行了预测。预测结果和试验结果吻合良好,表明该方法是有效的。     

航空发动机涡轮盘裂纹扩展分析

在计算分析含有角裂纹等厚空心盘应力强度因子基础上,针对某涡轮盘螺栓孔周向应力最大处建立孔边角裂纹的有限元模型;利用J积分法,计算得到不同尺寸裂纹前沿的应力强度因子;采用2自由度法描述扩展过程中裂纹前沿形状的发展,对角裂纹引起的轮盘裂纹扩展过程进行了有限元模拟;最后得到涡轮盘的裂纹扩展寿命。     

基于主动热载荷管理技术的涡轮盘疲劳寿命

为降低航空发动机涡轮盘失效风险并提高使用寿命,将主动热载荷管理技术应用于预置裂纹的涡轮盘模型,采用通用权函数法计算裂纹应力强度因子进而分析轮盘寿命,研究经主动热载荷管理的轮盘上能量分布对轮盘寿命的影响,探索轮盘上热边界载荷与寿命的关联性和变化规律,并通过有限元仿真模拟初步分析其作用机理。结果表明:主动热载荷管理技术通过优化轮盘的温度分布,可以有效地降低裂纹附近的应力,延缓裂纹的扩展,显著的提高寿命和安全性,当热边界载荷系数分别取0.05和0.10时,轮盘相应的寿命分别增加12.2%和26.1%。     

基于材料微观特性的涡轮盘疲劳裂纹萌生寿命数值仿真

 为了研究材料微观特性对结构疲劳寿命的影响,根据Tanaka-Mura疲劳裂纹萌生寿命计算理论,模拟某镍基粉末合金涡轮盘喉道表面疲劳裂纹萌生寿命。利用泰森多边形生成法,模拟微观多晶结构,建立宏-细观模型相结合的三维仿真模型。实现3项关键技术:1)在三维模型中模拟了面心立方晶体中{111}面族的12条主滑移系;2)应用缺口根部裂纹萌生的Tanaka-Mura理论模型模拟一条微裂纹在另一条裂纹尖端萌生;3)模拟了微裂纹的起裂、扩展与联合过程,最终形成一条宏观裂纹。对某表面带刀痕涡轮盘疲劳裂纹萌生寿命数值仿真结果与真盘试验结果相差20%。研究表明,减小晶粒尺寸、降低表面粗糙度、形成表面压缩残余应变以及析出沉淀颗粒都有利于提高涡轮盘的疲劳裂纹萌生寿命。     

考虑表面加工缺陷的轮盘疲劳寿命分析方法

为了将表面加工状态引入零构件概率寿命分析中,提出并建立了考虑表面加工缺陷的轮盘疲劳寿命分析方法。将孔的表面加工缺陷简化为表面裂纹和/或角裂纹,导出裂纹深度密度函数;借助裂纹应力强度因子经验公式及有限元分析,提出轮盘孔边裂纹应力强度因子计算的推广经验公式方法。建立了3种考虑表面缺陷尺度分布时轮盘概率寿命计算方法。以钛合金盘为例,在获得的表面缺陷分布条件下,计算了给定寿命的轮盘疲劳寿命失效概率及故障率。仿真结果表明:采用该方法可以将表面加工缺陷对疲劳寿命的影响引入构件寿命评估体系。     

考虑几何分散性的涡轮盘寿命概率分析

针对考虑几何分散性的涡轮盘低循环疲劳（LCF）寿命概率分析中几何参数多、几何随机变量难确定、分布特征获取困难、模型需自动更新及计算成本高的问题,提出几何分散性的概率处理方法:采用试验设计方法对涡轮盘结构所有几何参数进行灵敏度分析,筛选出对应力影响较大的关键几何参数作为随机变量,使用K-S(Kolmogorov Smirnov)方法确定其分布类型和特征参数,最后建立代理模型进行Monte Carlo概率分析.基于此方法,开发出了涡轮盘概率分析系统,在该系统中筛选得到某发动机GH720Li涡轮盘内径、外径、盘缘厚度3个结构参数作为几何随机变量,完成对LCF寿命的概率分析工作得到寿命-可靠度分布曲线.分析结果表明涡轮盘外径对LCF寿命有较大影响.      

一种改进的航空发动机结构概率风险评估方法

针对航空发动机适航条款FAR33.75中关于发动机限寿件(ELLP)结构失效概率要求,提出了一种基于Kriging和蒙特卡罗半径外重要抽样(MCROIS)混合的结构概率风险评估方法。该方法针对ELLP高维、小失效概率事件以及极限状态函数为隐式、高度非线性的特点,利用Kriging元模型模拟隐式极限状态函数,然后通过主动学习迭代算法,计算最优点(MPP,最接近设计验算点的样本点),更新实验设计(DOE)并提高Kriging元模型的模拟精度。在此基础上,利用Kriging元模型确定最优抽样半径,构造半径外重要抽样密度函数,在最优抽样半径确定区域进行抽样,通过构造主动学习函数,使样本点更多落在抽样半径确定的球区域附近,加速失效概率计算的收敛,并构建了ELLP风险概率模型,解决了高维、小失效概率事件以及隐式、非线性极限状态函数的发动机结构概率风险评估难题,以某型发动机低压压气机轮盘为应用示例,与传统的蒙特卡罗仿真(MCS)方法进行了对比,验证了该方法的高效率、鲁棒性和仿真精度。     

Safety Analysis of Flow Parameters in a Rotor-stator Cavity

In order to ensure the safety of engine life limited parts (ELLP) according to airworthiness regulations, a numerical approach integrating one-way fluid structure interaction (FSI) and probabilistic risk assessment (PRA) is developed, by which the variation of flow parameters in a rotor-stator cavity on the safety of gas turbine disks is investigated. The results indicate that the flow parameters affect the probability of fracture of a gas turbine disk since they can change the distribution of stress and temperature of the disk. The failure probability of the disk rises with increasing rotation Reynolds number and Chebyshev number, but descends with increasing inlet Reynolds number. In addition, a sampling based sensitivity analysis with finite difference method is conducted to determine the sensitivities of the safety with respect to the flow parameters. The sensitivity estimates show that the rotation Reynolds number is the dominant variable in safety analysis of a rotor-stator cavity among the flow parameters.     

基于塑性应变能的中低周疲劳概率寿命模型

由于材料、尺寸以及载荷等的分散性,涡轮盘疲劳寿命存在较大的分散性。在充分考虑材料加卸载应力、应变及应力比对疲劳寿命影响的基础上,提出了一种适用于中低周疲劳的塑性应变能概率寿命模型。该模型在考虑材料、尺寸和载荷等导致寿命分散的因素的基础上,重点考虑了循环应力应变曲线的分散性,结合根据应力比的二次插值,获得了插值范围内任意应力比下的塑性应变能损伤参量与疲劳寿命的关系。运用所提概率寿命模型结合响应面法与蒙特卡洛法对某涡轮盘螺栓孔模拟试件进行了概率寿命分析。结果显示,模拟试件的计算结果与试验结果的中位寿命仅相差022%,寿命分散系数相差581%,说明本概率寿命模型概率寿命预估精度高。      

航空发动机结构可靠性优化方法研究

通过采用多项式响应面的近似模型和模拟退火寻优技术．建立了航空发动机结构可靠性优化方法：采用多项式响应面为近似模型构造状态变量和目标函数与设计变量的关系,并采用模拟退火算法对响应面模型进行寻优,通过替代距离目标最远点,重构响应面进行模拟退火寻优。涡轮盘结构可靠性优化分析算例结果表明,涡轮盘结构在满足强度和寿命可靠性约束前...