中长寿命轮盘应力寿命及可靠性分析方法

针对轮盘榫槽结构理论应力集中系数难确定、采用传统应力寿命法估寿误差大问题, 提出一种改进应力寿命预估法.改进方法包括:提出应力修正系数概念和一种适用于轮盘榫槽结构的理论应力集中系数确定方法, 以及应力比修正方法.一旦确定了试棒的应力修正系数, 改进应力寿命法可采用光滑棒试验数据预估复杂结构寿命, 并考虑应力集中影响.进而建立了基于改进应力寿命法的应力寿命可靠性分析方法, 并对某风扇盘进行了疲劳寿命可靠性分析, 计算概率寿命与试验寿命吻合良好.      

FGH96粉末涡轮盘结构模拟件疲劳小裂纹扩展试验

为了分析涡轮盘轮缘榫槽等几何不连续部位对疲劳裂纹萌生及小裂纹扩展行为的影响,基于FGH96粉末盘实际构型设计结构特征模拟件,并对其在高温条件下开展自然萌生疲劳小裂纹扩展试验,通过疲劳中断试验和表面复型技术对榫槽和螺栓孔结构模拟件在500℃下的裂纹萌生和小裂纹扩展行为进行了观测和分析。结果表明：2种结构模拟件缺口表面存在多裂纹萌生现象,随着应力水平的降低,裂纹萌生位置由表面晶界转变为近表面特定方向的晶面以及非金属夹杂物处;2种结构模拟件裂纹萌生寿命占比约为36%～73%,且随着应力水平的降低而提高,裂纹扩展至工程可检裂纹尺寸时的寿命占比约为82%～96%,应力水平对其影响相对较小;特征模拟件缺口附近高水平的塑性变形能够导致小裂纹扩展速率分段特征现象消失,并延缓裂纹扩展过程中的合并行为,延长裂纹扩展寿命。     

轮盘低周疲劳概率寿命预估模型

为了研究影响轮盘结构寿命预估精度的主要因素,提高模型预测精度,通过对三种材料应变概率寿命模型参数的异方差回归,对某航空发动机风扇盘榫槽部位疲劳寿命分布进行了数值模拟,得到了风扇盘榫槽部位的概率寿命。经与试验结果对比表明,考虑材料疲劳寿命异方差特性比按同方差处理更为合理。等效应变模型对疲劳寿命严重高估,第一主应变模型预测值与试验结果吻合较好。最大剪应变模型预测值介于以上两个模型之间,用峰值拉伸应力代替平均拉伸应力进行修正后最大剪应变模型预测值与试验值吻合良好。     

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.      

循环热机载荷作用下航空涡轮盘蠕变疲劳寿命预测

基于循环弹塑性本构模型(考虑Chaboche随动强化演化律)、应变强化蠕变本构模型和对先进蠕变-疲劳损伤模型的结构拓展,建立了预测航空涡轮盘在循环热-机蠕变-疲劳载荷谱下的蠕变-疲劳行为的数值流程,实现了对某型涡轮盘的蠕变-疲劳寿命的模拟和设计。结果表明：该涡轮盘在4 h巡航的服役过程中蠕变-疲劳损伤危险区主要集中在榫槽底部,靠近榫槽的盘缘和盘体的形状突变区;榫槽端由于温度较高,应力集中程度也高,总损伤最大,呈现蠕变损伤主导的情况;盘心区温度较低主要以疲劳损伤为主;涡轮盘最大损伤随单次飞行的巡航时间而增加,并逐渐从疲劳主导过渡到蠕变主导。论文研究成果可为航空发动机涡轮盘的长寿命、高可靠设计提供重要参考。     

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。     

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.      

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。     

轻、重腐蚀涡轮盘榫齿高温复合疲劳试验研究

针对某型发动机二级涡轮盘榫齿裂纹故障,设计了一套新型试验加载方案,对涡轮盘枞树型榫槽进行了高温复合疲劳试验研究,得出了多通道传力结构的复合疲劳裂纹扩展规律,进而对比了轻、重两种腐蚀状态的涡轮盘榫齿高温复合疲劳寿命,给出了重腐蚀盘较轻腐蚀盘的寿命明显降低,且分散性大的结论,为制订轮盘腐蚀判废标准提供了依据。     

涡轮盘疲劳寿命评估流程及应用

建立了较完整的涡轮盘疲劳寿命评估流程,并以一个涡轮转子模型的分析实例给出了寿命评估流程的实施过程,同时探索了涡轮盘考核部位模拟试验件设计的方法。结果表明:所建立的涡轮盘寿命评估流程具有较强的工程实用性,所发展的寿命方程参数确定方法可有效利用现有材料手册中各种材料基础试验数据并能获得一组物理意义明确的参数,此寿命方程预测的寿命精度在2倍分散带之内;通过涡轮盘计算分析发现应力梯度是影响涡轮盘中心孔、螺栓孔边以及过渡圆角等部位寿命的关键因素,需在设计过程中重点关注;通过带缺口的平板模型算例模拟了涡轮盘危险部位的应力梯度特征,实现试验件缺口部位的应力梯度与涡轮盘考核部位的相对梯度特征接近,并提供了缺口模拟试验件设计方法,为使用简单缺口试验件评估涡轮盘考核点的寿命提供了技术途径。      

圆弧形榫连结构高/低循环疲劳试验研究

针对大涵道比涡扇发动机风扇叶/盘榫连结构,提出了缩比为1:2.5的圆弧形榫连结构疲劳试验方案,分别设计了高、低循环疲劳试验件及其夹具,并进行了疲劳试验验证.为了简化试验,低循环疲劳试验采用拉-拉循环加载试验方案,高循环疲劳试验则通过测定试验件1阶弯曲振型下的疲劳极限来实现.在低循环疲劳试验中,试验件结构的裂纹萌生寿命远大于60000次循环,具备足够的抗低循环疲劳能力;在高循环疲劳试验中,试验件结构在设计目标为207 MPa下通过了3×107循环的疲劳寿命考核.结果表明:圆弧形榫连结构的高、低循环疲劳试验装置设计合理,实现了预期的试验目标;所设计的圆弧形榫连结构具有良好的抗疲劳性能,满足大涵道比发动机的寿命设计目标;失效形式为由微动磨损引起的疲劳裂纹萌生和扩展.     

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.      

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。     

涡轮盘榫槽的损伤力学研究

本文运用损伤力学方法对涡轮盘试件榫槽在蠕变和疲劳交互作用下的裂纹起始寿命与裂纹扩展寿命进行了分析研究。榫槽的非线性损伤累积模型是由修正的Ｃｈａｂｏｃｈｅ′ｓ低循环疲劳损伤模型和改进的Ｋａｃｈａｎｏｖ′ｓ蠕变损伤模型综合形成的。在此基础上建立了疲劳和蠕变交互作用下裂纹扩展计算模型。从理论分析计算与试验结果的一致性,说明所建模型的正确性。采用损伤有限元素法,以有限元网格尺寸模拟损伤裂纹长度。从试件榫槽的裂纹扩展计算分析中,提出裂纹起始方向和裂纹扩展方向判断准则,并通过计算检验了此准则的正确性。文中所建立的基本理论,计算方法及结果分析在工程实际中具有一定使用价值。     

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。      

涡轮盘低循环疲劳寿命预测方法与流程

发展了一种涡轮盘低循环疲劳寿命预测方法及流程,其重点在于材料疲劳参数的确定、考虑多重影响因素的疲劳寿命预测方法,及涡轮盘结构的寿命预测,并以GH901合金涡轮盘为例进行了分析。结果表明:所发展的寿命预测方法及流程,可保证材料疲劳参数,同时具有明确的物理意义和良好的数值准确性;采用考虑梯度影响的疲劳寿命预测方法,在较少试验和计算量的基础上,考虑平均应力、应力梯度和尺寸效应的影响,对GH901合金缺口试样和实际涡轮盘试验件的疲劳寿命预测均较为理想,在2倍分散带以内。     

基于静强和寿命可靠性的双辐板涡轮盘/榫结构优化设计方法

为保证双辐板涡轮盘/榫结构疲劳寿命及可靠性,提出基于静强和寿命可靠性的涡轮盘/榫结构优化设计方法.采用盘身轴对称模型和涡轮盘/榫三维模型交替优化策略,进行轮盘静强结构优化.结合材料应力-寿命数据,对满足静强准则的涡轮盘/榫结构进行考虑尺寸效应的寿命可靠性分析,并建立各危险区域给定可靠度的峰值应力-寿命曲线.基于涡轮盘/榫静强优化设计平台,利用给定可靠度的应力-寿命曲线数据修改结构优化单点应力标准.在保证不出现轮盘破裂的前提下,将轮盘寿命可靠性优化的复杂过程简化为基于应力标准的寻优过程.典型例优化结果表明:静强优化后涡轮盘/榫的寿命不能满足设计要求;经寿命可靠性优化后,轮盘疲劳寿命较优化前增加了47.28%,满足寿命可靠性设计要求;且在轮盘静强优化质量减轻16.66％的基础上,再减轻3.43%;该方法在保证优化精度的条件下,可大幅提高优化效率,且易于工程设计中应用.      

某压气机轮盘低循环疲劳寿命研究

本文以某发动机压气机轮盘榫槽低循环疲劳(LCF)为研究对象.针对其疲劳载荷非对称、危险部位数目较多等特点,对其进行寿命预测和试验研究.轮盘低循环疲劳寿命预测采用工程中常用的通用斜率以及Manson-Coffin公式进行,并考虑平均应力修正方法、危险部位数目对轮盘低循环疲劳寿命的影响以及多轴疲劳寿命预测方法.通过轮盘低循环疲劳试验,再现了在役发动机轮盘榫槽槽底裂纹,验证了轮盘低循环疲劳寿命预测模型和方法的有效性.     

某涡扇发动机高压涡轮盘螺栓孔低循环疲劳模拟件设计

以拉伸应变能寿命预测模型为理论基础,提出了低循环疲劳模拟试验件(简称模拟件)设计的基本准则。针对某涡扇发动机高压涡轮盘螺栓孔部位进行了模拟件优化设计,设计时综合考虑了试验器能力、螺纹连接强度和所需毛坯盘数量等限制因素。优化目标为模拟件与螺栓孔虚拟裂纹0.8mm内第一主应力和第一主应变分布一致,以及最大应力点第二主应力与第一主应力比值一致。对设计结果进行了弹塑性校核。采用该模拟件构型进行了试验研究,由模拟件试验数据得到的安全寿命和轮盘试验给出的安全寿命的差距为4.48%。      

ZSGH4169榫连接结构微动疲劳试验

针对航空发动机热端部件涡轮盘榫连接结构微动疲劳现象展开研究,开展了ZSGH4169镍基高温合金榫连接结构在不同温度和不同载荷下的微动疲劳试验。试验发现:在不同工况下,微动疲劳裂纹均产生在榫槽接触区的下缘,且两侧均有裂纹产生。榫连接结构微动疲劳寿命随着试验温度的升高,微动疲劳寿命显著降低;随着载荷的增加,微动疲劳寿命显著降低。温度和载荷都会对滑移幅值产生影响,且微动疲劳寿命随着滑移幅值的增加而降低。使用包含微动疲劳参数的高温微动疲劳寿命预测模型来对ZSGH4169微动疲劳试验进行验证,预测寿命均在2倍误差带内。