某型航空發(fā)動機風扇軸疲勞壽命預測及可靠性分析.pdf

1、作為航空發(fā)動機轉子系統(tǒng)中的重要零件,風扇軸在傳遞功率、扭矩和支承其它零部件等方面起著非常重要的作用。在航空發(fā)動機高速運轉的過程中,風扇軸面臨著非常復雜的交變載荷條件,如扭矩、軸向力、振動扭矩、彎矩等,極易因為疲勞破壞而導致失效,從而使航空發(fā)動機的可靠性和安全性降低。因此,為了保證航空發(fā)動機能夠安全可靠地運行,以航空發(fā)動機的風扇軸材料特點和失效特點為基礎,積極進行風扇軸的疲勞壽命預測和可靠性研究,具有非常重要的現(xiàn)實意義和工程價值。本文以某

2、型航空發(fā)動機風扇軸為研究對象,在有限元應力應變分析的基礎上,基于多軸疲勞壽命預測方法中的臨界平面方法和基于應變的方法,開展疲勞壽命預測研究。最后,采用Monte Carlo方法對風扇軸的疲勞壽命可靠性進行研究。
　　論文的主要工作內容及貢獻如下:
　　(1)基于三維建模軟件和有限元分析軟件建立了某型航空發(fā)動機風扇軸的三維幾何模型和有限元分析模型。
　　根據(jù)某型航空發(fā)動機風扇軸的幾何尺寸,在Siemens NX8.0三維

3、軟件中建立了風扇軸的三維幾何模型。然后通過該三維建模軟件與ANSYS Workbench軟件的無縫連接,在Workbench中根據(jù)模型簡化原則對其進行結構簡化,建立了風扇軸三維有限元分析模型。
　　(2)在多載荷共同作用條件下,分別進行了風扇軸線彈性和彈塑性有限元分析,獲得了風扇軸的應力應變分布情況和疲勞破壞危險部位。
　　在同時考慮離心力、扭矩、軸向力、振動力矩和彎矩等載荷條件下,對風扇軸進行了線彈性有限元分析。根據(jù)風扇軸

4、已進入塑性狀態(tài)的結果,得知線彈性有限元分析模型在反映風扇軸的真實狀態(tài)上的局限性。因此結合風扇軸材料的應力應變特性,進行了風扇軸的彈塑性有限元分析,通過風扇軸的應力應變分布和結構的整體變形情況,判斷出風扇軸存在兩個疲勞破壞危險部位,即花鍵根部和靠近花鍵端的最大臺階處。
　　(3)基于有限元分析結果,從多軸疲勞角度評估了風扇軸的壽命。
　　在有限元應力應變分析基礎上,從多軸疲勞角度,分別采用基于臨界平面的多軸方法(Wang-Br

5、own方法、Fatemi-Socie方法、SWT-Bannantine方法)和基于應變的多軸疲勞壽命預測方法(基于最大剪應變屈服理論的方法、基于Mises屈服準則的方法、基于最大主應變幅的方法),進行風扇軸疲勞壽命計算評估。結果顯示不同的壽命預測模型下預測效果的差異性,并揭示出基于最大主應變幅的模壽命型預測值與試驗值最貼近。
　　(4)運用Monte Carlo方法對風扇軸進行了可靠性分析,獲得了風扇軸的疲勞壽命分布類型和疲勞壽命