复杂受载承力机匣的强度及疲劳寿命

本文首先论述了航空发动机承力机匣应力分布计算与试验,指出这类机匣的有限元计算,一般可分为:模型估算、真实机匣应力分布计算和局邮结构的详细计算。其次介绍了圆筒机匣热应力理论与试验研究的基本方法与主要成果。最后从机匣低循环疲劳寿命预测的初步探索的角度,说明了缺口构件在常温与高温条件下的低循环疲劳寿命预测工作的一些进展。     

低周疲劳寿命的试验研究

用GH33A钢制成圆柱形棒、鼓形平板和带中心孔平板3种试件进行拉-拉低循环试验。试验测定的疲劳寿命与采用局部应力-应变法预测的寿命结果符合较好。随着应力集中系数的增加,试验寿命与预测寿命之比有所增大。实验中,一次超载造成较大的寿命降低。由于较厚板缺口处存在双向应力-应变状态,较厚试件的疲劳寿命比较薄平板的寿命长。     

DZ125光滑试样与小孔构件低循环/保载疲劳寿命建模

依据定向结晶合金DZ125光滑试样的低循环/保载疲劳试验寿命数据,提出一种预测定向结晶合金低循环/保载疲劳寿命的模型.此寿命模型可以同时考虑材料的晶向、平均应力、应变范围、应变比、最大应力对寿命的影响.接着研究DZ125合金光滑试样低循环/保载疲劳寿命与小孔构件低循环/保载疲劳寿命的关系,提出一种从光滑试样低循环/保载疲劳寿命数据预测小孔构件低循环/保载疲劳寿命的方法.应用本文提出的寿命模型,预测DZ125带小孔构件的低循环/保载疲劳寿命,并将预测寿命与小孔构件试验寿命对比,误差在2倍分散带左右.      

圆弧形榫连结构低周疲劳试验设计与寿命预测

为了研究大涵道比涡轮风扇发动机宽弦风扇叶片中采用的圆弧形燕尾榫连结构的低循环疲劳寿命,设计了1种双榫头的低循环疲劳试件及夹具,该试件具有可以避免试件上打孔、所受载荷单一、节省试验时间等优点。利用通用软件ANSYS对试件及夹具进行了3维接触应力分析,得到了试件及夹具上的应力分布规律,证明了该试件设计的可行性与合理性。考虑多轴应力对寿命的影响,对试件进行了弹塑性分析,用4种方法预测了试件的疲劳寿命并与初步的试验结果进行了比较,给出了4种预测方法的相对误差。结果表明:Neuber法和等效应变法应用较方便且预测结果均在可接受范围内。     

缝焊接头疲劳强度降低系数和寿命分散系数的研究

为了研究发动机机匣的低循环疲劳寿命，本文根据机匣的实际情况，设计了焊搭接试件，进行对１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ材料缝焊搭接接头的疲劳性能测试，并用统计分析的方法得到Ｓ－Ｎ曲线和Ｐ－Ｓ－Ｎ曲线，及其缝焊接头的疲劳强度降低系数和疲劳寿命分散系数，与该材料的光滑试件对比，其结果可以看出，缝焊接头的疲劳强度大大低于光滑试件，而其疲劳寿命分散系数比光滑试件好。     

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.      

单晶高温合金低循环疲劳寿命的三维应力应变模型

将正交各向异性材料屈服函数中的等效应力的概念进行了推广,给出了单晶材料在三维交变载荷作用下疲劳损伤等效应力幅和等效塑性应变幅的计算公式。用等效应力幅和等效塑性应变幅对单向应力作用下的低循环疲劳寿命模型进行修正,提出了一种单晶材料在三维交变载荷作用下的低循环疲劳寿命模型。用所提出的三维低循环疲劳寿命模型预测了单晶材料PWA1480的低循环疲劳寿命,同时与试验结果进行了比较。     

涡轮盘多轴低循环疲劳寿命可靠性分析

多轴低循环疲劳是航空发动机涡轮盘的主要失效模式,应用多轴疲劳寿命预测的等效应变模型和临界面模型对某涡轮盘中心孔的疲劳寿命进行了预测,并与试验寿命进行了对比,得出等效应变模型预测结果均偏于危险,并且误差较大,而临界面模型误差较小,尤其拉伸型破坏的SWT模型误差在10%以内。进一步选取SWT模型进行了涡轮盘的寿命可靠性分析,鉴于多轴疲劳试验复杂、费用高并缺少统计数据,利用现有单轴疲劳试验数据将疲劳性能参数表示为标准正态随机变量的函数,将SWT模型随机化建立多轴疲劳寿命概率模型,得到可靠度0.998 7的涡轮盘寿命,与试验估计给出的技术寿命较为接近。     

2024-T3铝合金孔板高低周复合疲劳试验研究

对2034-T3铝合金孔板试件进行了高低周复合疲劳性能试验,研究高低周循环次数比对复合疲劳寿命的影响,建立了高低周循环次数和应力幅比与高低周复合疲劳寿命之间的关系式,并对现有损伤累积模型的适用性进行了分析讨论。试验和分析结果表明：随着高低周循环次数增大,复合疲劳寿命有显著的降低,复合疲劳寿命与高低周循环次数比呈对数线性关系。现有的累积损伤准则对试验结果的预测偏于危险,非线性累积损伤准则优于线性累积损伤准则。     

基于非线性连续介质损伤力学方法的微动疲劳寿命预测

微动损伤被称为“工业癌症”,为了更加准确预测微动疲劳寿命,本文提出了一种基于多轴非线性连续介质损伤力学(NLCD)模型的微动疲劳寿命预测方法.该方法在Chaboche NLCD模型基础上,引入临界等效塑性应变幅对其进行改进,得到了适用于微动疲劳的NLCD改进模型,对桥式光滑试件和燕尾榫结构模拟件分别进行了微动疲劳寿命预测,与文献试验结果误差分散带在2倍因子之内,且预测裂纹萌生位置与试验吻合良好,验证了本文方法的有效性.     

缺口半径对疲劳寿命影响的有限元分析

针对Mod.9Cr-1Mo铁素体钢缺口件进行了非比例应变路径低周疲劳试验,采用直流电位差法测量裂纹萌生寿命,比较了缺口半径和应变路径对疲劳裂纹萌生寿命的影响.试验结果表明:缺口件裂纹萌生寿命占疲劳寿命的比例与应变路径和缺口半径相关.采用ANSYS软件进行模拟计算,材料弹塑性特性采用von Mises屈服准则、多线性运动硬化律和单轴循环应力应变曲线描述.模拟结果表明:各应变路径下缺口根部处产生了明显的应力集中,等效应力最大值均发生在缺口根部处,随着离缺口根部距离的增加,应力随之而降低.但不同缺口半径下,离缺口根部不同距离处的应力梯度变化趋势随应变路径不同而不同.基于模拟结果,采用Smith-Watson-Topper(SWT)模型进行疲劳寿命预测.结果表明SWT模型针对大缺口半径的预测结果较好,大部分点位于2倍分散带内,但针对小缺口半径预测结果普遍偏低.      

典型缺口件疲劳寿命分析方法

通过对典型缺口件疲劳寿命分析方法进行系统的回顾,按照疲劳缺口效应描述参数的不同将缺口件疲劳分析方法划分为3类:局部应力应变法、应力梯度法和临界域法.结合4种不同缺口几何下的LY12CZ铝合金缺口件的低周疲劳试验数据,对上述3类方法进行的验证对比可以发现:考虑了应力梯度和应力场分布的方法(如临界域法和应力梯度法)对缺口件疲劳寿命的预测结果与试验结果吻合较好而局部应力应变法预测精度较差,其中应力场强法还能够正确地预测疲劳破坏位置.      

30CrMnSiNi2A钢拉扭加载应变疲劳寿命的研究

1.实验方法 试样为空心薄壁圆筒(图1),材料为30CrMnSiNi2A。实验在北京科技大学力学测试中心的MTS809型电液伺服疲劳试验机上进行。将拉扭引伸仪装卡在试样上,采用对称的闭环应变控制,拉压轴向线应变比R_g=—1,扭转剪应变比R_γ=—1,拉扭同相加载,采用     

疲劳韧性的数学表达式

通过对疲劳过程中材料能耗的分析,利用材料的循环应力－应变特性,建立了疲劳韧性的数学表达式,可用来较为准确地估算材料对应任一疲劳寿命的疲劳韧性。用该表达式对８种不同材料的应变疲劳试验数据进行了分析,获得了关于疲劳韧性的若干重要结论。     

民用发动机附件风扇叶轮疲劳寿命数值分析

叶轮疲劳寿命是影响风扇寿命的关键因素,鉴于风扇叶轮低循环疲劳试验周期长、成本高,在叶轮结构前期设计时,对某型叶轮低循环疲劳寿命进行数值分析,根据仿真分析结果初步预估叶轮寿命,给后期的叶轮疲劳寿命试验提供一定参考依据。仿真主要通过对风扇流场、叶轮强度、疲劳及叶轮模态进行分析,得出风扇流场和结构气动载荷下分布云图、叶轮离心、气动、离心气动耦合载荷下应力云图及叶轮前六阶模态云图。结果表明：离心叶轮工作时受到主要载荷为高速旋转时离心载荷,气动载荷对叶轮结构的影响相对较小;在离心气动载荷耦合的情况下,叶轮在19 955 r/min工作转速下的vonMises等效应力及最大应力为21.25 MPa,远小于叶轮结构材料2A70 T6屈服强度204 MPa和疲劳强度102.6 MPa,评估出叶轮结构在整个寿命期内不会发生屈服失效、疲劳失效,能够满足60 000次低周循环疲劳寿命的要求。在静态分析基础上探讨了不同转速下叶轮的动态特性,并绘制叶轮模态特性随转速变化的Campbell图,给出共振风险点,为后续综合考虑动态、静态特性对叶轮疲劳寿命影响奠定基础。     

单晶高温疲劳损伤参量的选取与寿命建模

高温疲劳损伤是引起单晶涡轮叶片破坏的主要因素之一。利用不同试验条件下DD6标准试件的低周疲劳和蠕变-疲劳试验结果,结合基于滑移系的黏塑性应力-应变分析,分别研究了晶体取向、应变范围、平均应变以及保载时间等对单晶高温疲劳损伤的影响机制。进而采用滑移剪应变最大的滑移系作为临界滑移系,选取临界滑移系上的最大Schmid应力、最大滑移剪应变率、循环Schmid应力比以及滑移剪应变范围等细观参量作为损伤参量,建立了一种新的基于临界平面的循环损伤累积（CDA）模型。结果表明,该模型对于DD6高温疲劳寿命预测精度基本在3倍分散带内。     

弹性模量对低周疲劳性能参数的影响

对材料1C r11N i2W 2M oV进行了500℃的等温低周疲劳试验和静力拉伸试验。考察了静力拉伸弹性模量与动态弹性模量的差别,以及弹性模量对该材料等温低周疲劳性能参数的影响。结果表明:当循环寿命较大(N_f大于5 000周)时弹性模量对等温低周疲劳寿命预测的精确度有较大的影响,分散带的大小有数量级的差别,应该采用疲劳试验机测出的弹性模量对等温低周疲劳寿命进行预测。      

基于应力分布模型的随机疲劳加速试验设计

将两段式S-N曲线应用于Dirlik随机振动疲劳寿命预测模型,分段计算各自的疲劳损伤并进行叠加。基于该模型所模拟的应力幅值分布,推导了在两段式S-N曲线的情况下激励放大倍数同疲劳寿命之间的等效关系,并提出了基于该等效关系的加速试验寿命换算方法,为加速试验应力等级的确定提供了参考。针对随机振动中小应力幅占比较大的情况,该方法优化了这一部分的损伤计算方式,同时该方法还可以推广至超高周疲劳等需要使用多段式S-N曲线表达疲劳性能的情况中去,得到更加贴近实际的理论疲劳寿命与加速寿命间的等效关系。通过分析算例表明,在两段式S-N曲线下,应力与寿命也大体呈现出了两段式的对数线性关系,并使用文献中的试验数据进行了验证。