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航空发动机轮盘低周疲劳寿命预测方法研究

吕志强  
【摘要】:作为航空发动机的关键转动部什之一,轮盘的主要功能是安装叶片以传输功率。轮盛属发动机主承力部件,长期服役在高温和高转速条件下,承受着离心载衍、热载荷、振动载荷以及气动载荷等多种载荷的耦合作用。轮盘的失效包括低削疲劳、弹翅性变形、榫齿断裂和腐蚀歼裂等多种失效模式,其中低周疲劳失效是轮盘最主要的失效模式。轮盘低周疲劳失效往往影响航空发动机的性能,进而威胁剑航空发动机的安全可靠性。大多数情况下,轮盘的低周疲劳失效会对航空发动机造成非包容性破坏,导致灾难性后果。因此,开展轮盘低周疲劳寿命预测方法研究具有重要的理论研究意义和工程应用价值。目前,对于航空发动机轮盘的低周疲劳寿命预测方法研究,国内已建立起相应的理论体系,但与欧美等航空大国相比,仍存有诸多难点问题亟待解决。在工科中,复杂载荷谱的处理、平均应力效应以及应力梯度效应等问题均会影响到轮盘低周疲劳寿命。本文针对上述难点问题,结合国家自然科学基金项目“基于故障物理技术的结构疲劳可靠性设计理论及其应用研究”以及我国航空发动机某型号课题“XX发动机主要零部件寿命计算”,采用基于Walker平均应力修正准则、应变寿命预测模型以及疲劳累积损伤理论对轮盘进行疲劳寿命预测,并采用多种材料试验数据进行验证。本文的主要工作及研究成果具体体现为:(1)提出了基于Walker平均应力修正准则的低周疲劳寿命预测模型。工作状态下,轮盘所受载荷复杂,局部区域会产生较大的应力和应变。通过几何数据建立轮盘三维模型,结合有限元分析,确定轮盘的危险部位以及该部位的应力和应变分布情况。轮盘受到的疲劳载荷为非对称循环,需要对其进行平均应力修正。考虑到轮盘的寿命区限,结合Walker平均应力修正准则和C. E. Jaske疲劳寿命模型,提出了一种可以考虑平均应力效应的轮盘低周疲劳寿命预测模型。(2)建立了确定Walker指数的数学模型,并提出了基于Walker指数和SWT参数模型的低周疲劳寿命预测模型。轮盘结构承受的转速、温度等载荷参数都是非对称的,而轮盘结构的低循环疲劳性能试验数据大多是在对称循环加载条件下得到的。Walker准则具有很好的平均应力修正效果,并可描述不同材料对平均应力影响的灵敏度,但其指数的未知性限制了其工程应用。基于此,通过研究Walker指数与材料疲劳性能参数之间的联系,建立了确定Walker指数的数学模型。Walker指数可用于表征不同材料对平均应力影响的灵敏度,通过将Walker指数引入到SWT参数模型中,提出了种适用于不同材料的低周疲劳寿命预测模型。(3)提出了考虑应力梯度效应的轮盘疲劳寿命预测模型。在复杂载荷的作用下,轮盘的危险部位往往会产生严重的应力集中现象,从导致局部区域应力下降较快,产生较高的应力梯度。缺口部件的疲劳寿命不仅受缺口部位最大应力和应变的控制,还与峰值点周围非均匀分布应力场密切相关。基于此,通过有限元方法得到轮盘危险点周围应力场分布,分析应力梯度对疲劳寿命的影响,建立了表征应力梯度效应的应力梯度影响因子,并将应力梯度影响因子引入到轮盘低周疲劳寿命模型中对轮盘进行寿命预测。(4)提出了考虑轮盘载荷间相互作用效应的非线性疲劳累积损伤法则。轮盘在服役过程中所承受的载荷谱是不规则的,在复杂载荷下,载荷间相互作用效应对轮盘疲劳裂纹的形成与扩展有着很大影响,进而影响轮盘的疲劳寿命预测结果。轮盘疲劳裂纹的长度不仅取决于当前的应力水平,还与之前应力水平密切有关。为了完善当前非线性疲劳累积损伤法则不能考虑载荷间相互作用效应的缺陷,通过分析不同应力水平对疲劳损伤核数目的影响,把变幅载荷下的最大应力水平作为参照点,在非线性疲劳累积损伤模型中引入一个载荷间相互作用效应参数,提出了一个能考虑载荷相互作用效应对疲劳寿命影响的非线性疲劳累积损伤法则。


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