随机环境下涡轮盘-片剩余寿命预测方法

采用随机有限元方法, 针对某燃气涡轮盘-片进行了热流固耦合及接触热弹塑性分析, 得到了随机应力应变响应;基于概率Miner损伤准则和应变场强法, 运用K.N.Smith疲劳损伤公式及Manson-Succop形式热强综合参数蠕变方程计算了涡轮盘-片的疲劳蠕变寿命;据此分析了影响疲劳和蠕变损伤的各种因素, 提出了装置使用和维护方面的建议.分析结果接近实际, 证明该方法不失为目前为止较好的预测涡轮盘-片剩余寿命的新方法.      

涡轮盘低循环疲劳可靠性设计方法

基于现有疲劳试验数据,建立了涡轮盘材料GH4133合金的循环应力-应变概率模型,并提出涡轮盘低循环疲劳可靠性设计方法。以有限元分析软件ANSYS为平台,利用APDL语言进行了涡轮盘3维参数化建模;通过灵敏度分析确定了涡轮盘结构概率分析中的主要影响参数;通过涡轮盘结构低循环疲劳可靠性分析和关键结构几何参数的反复修改,满足了涡轮盘的疲劳可靠性设计指标。该方法可为发动机其他关键结构的疲劳可靠性设计分析提供参考。     

旋转盘腔盘罩间隙比的敏感性分析

为保证寿命限制件之一的涡轮盘满足适航性要求,采用单向流固耦合(fluid structure interaction,简称FSI)数值方法,研究转静系旋转盘腔盘罩间隙比的变化对转盘安全性的影响机理.并且,由流阻、换热效果和应力分布三方面构成的工程评价体系对盘罩间隙比的影响进行评价以及敏感性分析.结果表明:盘罩间隙比的变化能够影响旋转盘腔内流动结构的强度,从而改变盘面换热效果和转盘温度分布,导致与温度梯度相关的热应力也发生变化.随着盘罩间隙比的增加,旋转盘腔的流阻损失基本不变,转盘迎风面平均换热效果呈现先增强后减弱的趋势,转盘整体应力水平上升,以及出现在盘心处的最大等效应力值增大.盘罩间隙比的变化能够从材料许用应力和实际使用载荷两方面影响涡轮盘的失效概率,因此,在涡轮盘腔设计阶段,需考虑盘罩间隙比对涡轮盘安全性的影响.      

基于无裂纹直耳片接头接触问题的非线性分析

考虑耳片与螺栓之间配合间隙,采用Patran有限元分析软件,模拟飞机结构中典型直耳片接头的结构特征及载荷特征,对无裂纹直耳片接头进行了非线性接触分析。通过分析,计算了三种不同大小耳片孔边应力集中系数,并与理论经验公式计算得到的耳片孔边应力集中系数相比较,其结果表明,有限元计算方法合理,可为有初始裂纹耳片接头接触分析提供参考。同时,在此基础上讨论了耳片不同几何参数对其应力分布影响,也可为接头耳片的优化设计提供一定的指导。     

考虑榫槽/榫齿配合间隙的叶盘结构疲劳寿命稳健性优化研究

为了更好地满足榫齿结构的设计、加工和制造需求,同时提高叶盘结构的疲劳寿命稳健性,利用有限元方法对不同配合间隙下的应力应变进行计算,揭示并分析了叶盘结构疲劳寿命随配合间隙的变化规律,综合考虑载荷、材料参数、配合间隙不确定性的情况下,利用二次多项式响应面分别建立了随机变量与叶盘疲劳寿命的近似函数关系,并结合多目标规划理想点法建立了叶盘结构疲劳寿命多目标稳健性优化模型。优化结果表明:叶片、轮盘疲劳寿命均值分别增加了3.24%和1.93%,疲劳寿命概率区间分别降低了10.13%和8.16%,叶盘结构疲劳寿命对参数变化的敏感度降低,有利于更加准确地进行寿命评估。     

涡轮盘定心衬套失效模式与疲劳寿命研究

针对涡轮盘定心衬套的结构特点和各工况下的载荷形式,分析了它的失效模式.确定其寿命消耗主要为在高温、高机械负荷作用下的多轴低循环疲劳破坏.通过建立了高压涡轮转子整体分析模型,模拟定心衬套主要工况下的各种载荷和约束条件;定心衬套工作状态的温度场条件是利用相关冷却气流参数进行稳态对流换热仿真计算得到的.采用弹塑性有限元分析方法,计算中充分考虑了高压涡轮转子主要部件的相互影响,获得了定心衬套主要工况下危险点的最大应力应变循环.根据危险点的计算结果,利用不同的低循环疲劳寿命方程对危险点进行寿命预测,并对得到的结果进行分析和比较.研究结果表明,定心衬套的存在两个危险点,一是冷却气孔边受轴向载荷作用,二是衬套内壁后缘倒角处受径向和轴向载荷作用.      

带箍环掠型叶片整体叶盘强度分析方法研究

针对带复合材料箍环掠型叶片整体叶盘结构，开发了对叶片快速施加气动载荷的方法，发现了整体叶盘的应力应变分析和寿命预测方法，成功地完成了模型叶盘的应变测量和低循环疲劳试验。通过模型叶盘数值分析与试验测量数据的比较可见，二吻合较好，从而验证了上述方法的有效性。     

低温环境下固体火箭发动机药柱伞盘结构设计

为提高固体火箭发动机伞盘药型药柱的低温力学性能,可通过调整伞盘药型来缓解其应力应变集中水平。以某固体火箭发动机药柱前伞盘为例,应用三维粘弹性有限元分析方法,分析不同前伞盘药型结构发动机的低温应变场,得到药柱前伞盘最大VonMises应变随伞盘药型结构变化的规律,结果表明药柱伞盘宽度的变化对伞盘顶部应力应变集中的影响最大。再综合考虑内弹道性能和浇铸工艺的要求可确定药柱前伞盘的最佳结构。该方法可为固体火箭发动机药型设计提供定量参考。     

采用改进减缩模型的涡轮叶尖间隙快速分析方法

改进了一种预测涡轮叶尖间隙的缩减模型,此模型可模拟发动机各工况下温度、转速和压差对间隙的影响.利用该改进模型在某发动机高压涡轮结构设计中进行叶尖间隙计算,结果显示改进的模型能较好地揭示各工况下叶尖间隙的变化规律.此分析模型只需要输入发动机总体参数、几何参数、基本的材料参数以及传热参数,便能快速得到各个工况下叶尖间隙的变化规律,从而找出最小和最大间隙值及发生时所在工况,可在发动机初步方案设计阶段为叶尖间隙评估提供一种高效率的方法.      

TC11钛合金片层组织热变形行为及组织演变

通过热压缩试验研究了具有初始β转变组织的TC11钛合金在两相区800～980 ℃和应变速率0.001～0.1 s-1范围内的热变形行为和组织演变.分析了该合金在试验参数范围内变形的应力-应变曲线特征.动力学分析获得该合金在两相区变形的应力指数和变形激活能分别为4.42和490.8 kJ·mol-1,说明变形主要是位错的滑移和攀移过程.分析变形组织认为,片层组织的球化和弯折是两相区变形应力软化的原因.温度和应变速率严重影响片层组织球化过程的进行,980 ℃,0.001 s-1和0.01 s-1,以及950℃,0.001 s-1条件下变形有利于片层组织球化过程的充分进行.900～980 ℃,0.001～0.1 s-1球化过程中,变形到稳态的等轴α直径与温度补偿应变速率参数Z呈对数线性关系.     

不同接触形式下轮盘叶片系统的振动响应分析

以某压气机盘片系统为研究对象,基于ANSYS软件,建立了接触模型、接触不分离模型和刚性连接模型3种榫连结构接触约束形式下的盘片有限元模型,分别对3种模型进行了固有特性的分析,对比了三者的共振频率和振型;在离心力和气流激振力作用下,对3种模型进行了振动响应分析,得到三者的位移响应和应力随转速的变化规律。研究结果表明:接触模型和接触不分离模型的固有特性一致性较好,而刚性连接模型和接触模型在高频段存在较大差异。同时,刚性连接模型和接触不分离模型能够极大地改善接触模型在低转速下的收敛性。     

考虑接触热阻的非连续转子快速启动热分析

针对燃气轮机转子非连续性的结构特点,通过考虑粗糙表面的接触热阻,建立了螺栓联接结构的热 结构耦合分析模型。研究了快速启动过程中轮毂间接触面上的温度分布及最大应力的变化规律,并分析了表面粗糙度和预紧力等接触参数对接触面间的温度分布、拉紧力及最大应力的影响。结果表明:热冲击下粗糙表面间的接触热阻对接触面的温度分布及最大应力影响明显,接触参数对螺栓联结结构的温度场、应力场及热变形特性影响较大。研究成果可为燃气轮机转子设计、热致振动分析及故障诊断提供理论依据。      

接触特性对非连续性转子热致振动的影响

针对燃气轮机转子的非连续性结构间存在的接触特性,根据微凸体理论引入接触刚度和接触热阻的等效模型,建立了某型燃气轮机非连续性转子的动力学模型,分析了接触参数对转子稳、瞬态动力学特性的影响,研究了螺栓松动引起的转子热变形及其对转子快速启动过程中振动特性的影响.结果表明:预紧力、接触面的表面粗糙度和螺栓个数对转子临界转速有一定的影响,螺栓松动导致转子在启动过程中瞬态热变形最大达到7μm,过1阶临界转速时引起的转子最大响应幅值增大约30μm.在非连续性转子系统的热致振动特性分析当中,不应忽视接触参数、接触刚度和接触热阻的影响.      

带冠预扭涡轮叶片模态分析及动应力测试验证

介绍了航空发动机带冠预扭涡轮叶片非线性接触预应力模态分析机理,并以ANSYS软件为平台,对某型涡轴发动机动力涡轮叶片进行了模态分析。结果表明：非线性接触预应力模态分析方法得到的叶片盘9～13节径1阶频率与动应力测试频率在变化规律上保持一致,差别基本稳定在12%～13%,计算精度较传统方法有了明显的提高。     

氦气涡轮转子系统整体数值仿真研究

针对氦气涡轮转子系统中各构件复杂的非线性接触关系及结构强度问题,采用Pro/E建模软件对氦气轮机转子系统进行了3维实体造型,并利用ANSYS软件进行了数值仿真强度分析。真实模拟了涡轮转子在4种工况下的应力分布以及变形趋势。结果表明:除接触应力和开孔处应力较大外,在转子轴系整体强度计算中,各级轮盘盘心处应力较大。根据各工况下的计算结果比较分析得出,离心力对盘心处的应力影响最大,对温度场的影响次之。     

圆柱接触面榫连接结构的优化设计

以圆柱对平面接触特性研究为基础,提出了榫头接触面由直平面和部分圆弧面组成的结构方案,与典型的圆柱接触面榫结构方案对比,给出了设计结果.进而基于微动疲劳考虑,分别选择了最大综合参数FFD(fretting fatigue damage)最小和最大接触应力最小作为优化目标,对两种榫接触面设计方案分别进行了优化分析,结果表明以最大综合参数FFD最小为优化目标效果更好.      

考虑应力松弛的涡轮盘蠕变-疲劳寿命可靠性分析方法

提出了考虑材料蠕变应变模型参数分散性及应力松弛效应的涡轮盘蠕变-疲劳寿命可靠性分析方法。首先建立蠕变应变概率模型;然后采用响应面法分别回归蠕变和疲劳损伤函数;通过蒙特卡洛法模拟总损伤分布及寿命可靠度。同时提出给定可靠度的寿命计算方法和两种考虑应力松弛的涡轮盘蠕变-疲劳寿命可靠度分析简化方法。通过算例验证了方法的有效性。     

涡喷发动机涡轮密封舱小气路流场数值计算

运用 NUMECA的三维粘性流动数值计算软件 FINE/ TURBO对涡喷发动机涡轮密封舱小气路中的复杂流场进行研究 ,计算中采用 Jameson的中心差分格式结合 Baldwin- Lomax湍流模型求解雷诺平均 N- S方程 ,得到了三维复杂流场中气体参数分布的详细结构和规律 ,具有较高的精度 ,为小气路中的故障的诊断提供数值依据     

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.      

考虑离心力与热应力非连续界面的微动磨损

航空发动机、重型燃气轮机等旋转机械的组合转子轮盘间多采用非连续界面连接,通过建立两轮盘的环形平面接触有限元模型,并进行冷态预紧、升速工况下的结构分析及稳态温度场下的热-结构耦合分析。研究了环形接触界面的接触应力、切应力、磨损深度等微动参量的演变规律。结果表明:预紧力单独作用下接触应力从内径到外径逐渐减小,内径处接触应力和切应力最大,磨损最严重;随转速升高,离心力增大,接触界面的最大接触应力增大,最小接触应力减小,造成接触应力分布不均匀程度及磨损加剧;稳态温度场导致盘间接触应力均值大幅度上升,严重加剧轮盘间磨损;从盘间接触应力分布均匀性与界面微动磨损情况来说,热载荷是造成组合转子非连续界面微动磨损的主要因素。