基于缺陷概率特点的粉末冶金材料寿命预测概率模型

粉末冶金材料由于其制造工艺的特点,强度和寿命对微缺陷（夹杂、气孔、表面划伤）十分敏感,导致了粉末冶金材料的破坏具有较大的分散性,使得寿命预测更为困难。本文根据国内粉末材料中缺陷的分布特点,基于文献[79]中概率断裂分析的思路,对原有方法进行了修正和推广,重新给出了缺陷在表面、亚表面以及内部时的定义及缺陷在这些不同位置时出现概率断裂的确定方法,建立了一个可考虑缺陷形状、大小、位置等分布特征的粉末冶金材料寿命预测概率模型,并基于此计算了不同尺寸缺陷位于不同位置时材料的失效概率及总失效概率。分析表明:所给出的方法可以很好的表征国内工艺条件下粉末冶金材料缺陷的概率特征对强度寿命的影响,方法是有效的。      

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。      

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。      

榫连结构几何参数对接触应力的影响

以某燕尾形榫连结构作为研究对象,采用有限元法开展了接触应力分析,用以研究榫连结构几何参数对其接触应力的影响,并应用于工程中榫连结构的强度分析。计算表明榫齿/榫槽接触区边缘存在较高的应力梯度;在此基础上,建立了不同的几何模型以考查关键几何参数对接触应力的影响,例如接触面角度、长度、接触区边缘圆角半径以及接触面几何形式,重点研究了圆弧/直线几何形式下的接触应力分布,并讨论了其几何参数对接触区应力改善的作用;研究结果表明合理选择几何参数可以改善接触区应力分布,提高榫连结构寿命。     

榫连结构接触面几何构形对接触区应力分布的影响

为研究并降低传统榫连结构接触区边缘的高应力梯度,对几种典型接触形式展开了有限元分析,计算结果表明不同接触形式将导致不同的接触应力分布;针对某单齿燕尾形榫连结构,建立了一系列不同网格密度的有限元模型计算分析接触区的应力集中程度,并以此提高接触应力的求解精度;并进一步改进了接触面的几何形式,分析表明二维条件下圆弧/直线的接触形式改善了传统平面/平面接触的应力集中,圆弧/圆弧的接触形式将使接触应力进一步降低.      

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.      

FGH95粉末冶金材料变形及破坏特点的试验研究与数值模拟及分析

进行了650℃下不同应变率的拉伸试验和应变率为10^-3／s的应变控制循环试验，用以研究FGH95材料的变形特征；进行了不同保载形式的疲劳试验，用以研究FGH95材料的破坏特征。采用Chaboche本构对材料的变形特征进行了数值模拟，同时也对其寿命进行丁评估，得到了较为理想的结果，为粉末高温合金构什的应力一应变分析及寿命预测打下了基础。同国外相近牌号Rene’95相对照，得出了粉末材料FGH95一些特有的性能特点，对其工程应用具有一定的参考价值。     

粉末冶金涡轮盘裂纹扩展寿命分析

采用J积分方法建立了断裂力学有限元模型,对FGH95粉末高温合金标准紧凑拉伸(CT)试样的裂纹扩展试验结果进行了数值模拟,分析了材料的裂纹扩展规律。计算结果与试验结果吻合很好,表明了分析方法的准确性及可行性。将该方法加以拓展,建立了含有不同尺寸缺陷的粉末盘断裂力学有限元模型,并对其裂纹扩展寿命进行了评估。与传统预测方法相比,该方法将给出更为实际的结果,可应用于复杂构件裂纹扩展特性的工程分析。     

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。     

θ参数法在涡轮盘蠕变变形分析中的应用

针对某直接时效ZSGH4169涡轮盘的蠕变变形展开研究,建立了16参数的θ参数法模型,对ZSGH4169高温合金在不同温度、不同载荷下的蠕变曲线进行了模拟;将该模型同有限元程序结合,开发了相应的用户子程序,并验证了子程序的计算能力及计算精度;将模型应用于涡轮盘的蠕变分析。结果表明:该模型能够准确模拟ZSGH4169在650℃及700℃下3个阶段的蠕变行为,与Norton率等传统模型相比,建模能力更强且精度更高,特别是能够开展变载、变温等复杂条件下蠕变的数值模拟。进而获得了涡轮盘盘心孔、盘缘螺栓孔两个危险位置处蠕变应变随时间的变化规律以及应力松弛曲线,其具有工程指导意义。