航空發(fā)動機輪盤低周疲勞壽命預(yù)測方法研究.pdf

1、作為航空發(fā)動機的關(guān)鍵轉(zhuǎn)動部件之一，輪盤的主要功能是安裝葉片以傳輸功率。輪盤屬發(fā)動機主承力部件，長期服役在高溫和高轉(zhuǎn)速條件下，承受著離心載荷、熱載荷、振動載荷以及氣動載荷等多種載荷的耦合作用。輪盤的失效包括低周疲勞、彈塑性變形、榫齒斷裂和腐蝕開裂等多種失效模式，其中低周疲勞失效是輪盤最主要的失效模式。輪盤低周疲勞失效往往影響航空發(fā)動機的性能，進而威脅到航空發(fā)動機的安全可靠性。大多數(shù)情況下，輪盤的低周疲勞失效會對航空發(fā)動機造成非包容性破壞，

2、導(dǎo)致災(zāi)難性后果。因此，開展輪盤低周疲勞壽命預(yù)測方法研究具有重要的理論研究意義和工程應(yīng)用價值。
　　目前，對于航空發(fā)動機輪盤的低周疲勞壽命預(yù)測方法研究，國內(nèi)已建立起相應(yīng)的理論體系，但與歐美等航空大國相比，仍存有諸多難點問題亟待解決。在工程中，復(fù)雜載荷譜的處理、平均應(yīng)力效應(yīng)以及應(yīng)力梯度效應(yīng)等問題均會影響到輪盤低周疲勞壽命。本文針對上述難點問題，結(jié)合國家自然科學(xué)基金項目“基于故障物理技術(shù)的結(jié)構(gòu)疲勞可靠性設(shè)計理論及其應(yīng)用研究”以及我國航空

3、發(fā)動機某型號課題“XX發(fā)動機主要零部件壽命計算”，采用基于Walker平均應(yīng)力修正準則、應(yīng)變壽命預(yù)測模型以及疲勞累積損傷理論對輪盤進行疲勞壽命預(yù)測，并采用多種材料試驗數(shù)據(jù)進行驗證。
　　本文的主要工作及研究成果具體體現(xiàn)為：
　　(1)提出了基于Walker平均應(yīng)力修正準則的低周疲勞壽命預(yù)測模型。
　　工作狀態(tài)下，輪盤所受載荷復(fù)雜，局部區(qū)域會產(chǎn)生較大的應(yīng)力和應(yīng)變。通過幾何數(shù)據(jù)建立輪盤三維模型，結(jié)合有限元分析，確定輪盤的危

4、險部位以及該部位的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況。輪盤受到的疲勞載荷為非對稱循環(huán)，需要對其進行平均應(yīng)力修正。考慮到輪盤的壽命區(qū)限，結(jié)合Walker平均應(yīng)力修正準則和C.E.Jaske疲勞壽命模型，提出了一種可以考慮平均應(yīng)力效應(yīng)的輪盤低周疲勞壽命預(yù)測模型。
　　(2)建立了確定Walker指數(shù)的數(shù)學(xué)模型，并提出了基于Walker指數(shù)和SWT參數(shù)模型的低周疲勞壽命預(yù)測模型。
　　輪盤結(jié)構(gòu)承受的轉(zhuǎn)速、溫度等載荷參數(shù)都是非對稱的，而輪盤結(jié)構(gòu)的低

5、循環(huán)疲勞性能試驗數(shù)據(jù)大多是在對稱循環(huán)加載條件下得到的。Walker準則具有很好的平均應(yīng)力修正效果，并可描述不同材料對平均應(yīng)力影響的靈敏度，但其指數(shù)的未知性限制了其工程應(yīng)用?；诖?，通過研究Walker指數(shù)與材料疲勞性能參數(shù)之間的聯(lián)系，建立了確定Walker指數(shù)的數(shù)學(xué)模型。Walker指數(shù)可用于表征不同材料對平均應(yīng)力影響的靈敏度，通過將Walker指數(shù)引入到SWT參數(shù)模型中，提出了一種適用于不同材料的低周疲勞壽命預(yù)測模型。
　　(3

6、)提出了考慮應(yīng)力梯度效應(yīng)的輪盤疲勞壽命預(yù)測模型。
　　在復(fù)雜載荷的作用下，輪盤的危險部位往往會產(chǎn)生嚴重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而導(dǎo)致局部區(qū)域應(yīng)力下降較快，產(chǎn)生較高的應(yīng)力梯度。缺口部件的疲勞壽命不僅受缺口部位最大應(yīng)力和應(yīng)變的控制，還與峰值點周圍非均勻分布應(yīng)力場密切相關(guān)?；诖?，通過有限元方法得到輪盤危險點周圍應(yīng)力場分布，分析應(yīng)力梯度對疲勞壽命的影響，建立了表征應(yīng)力梯度效應(yīng)的應(yīng)力梯度影響因子，并將應(yīng)力梯度影響因子引入到輪盤低周疲勞壽命模型中

7、對輪盤進行壽命預(yù)測。
　　(4)提出了考慮輪盤載荷間相互作用效應(yīng)的非線性疲勞累積損傷法則。
　　輪盤在服役過程中所承受的載荷譜是不規(guī)則的，在復(fù)雜載荷下，載荷間相互作用效應(yīng)對輪盤疲勞裂紋的形成與擴展有著很大影響，進而影響輪盤的疲勞壽命預(yù)測結(jié)果。輪盤疲勞裂紋的長度不僅取決于當前的應(yīng)力水平，還與之前應(yīng)力水平密切有關(guān)。為了完善當前非線性疲勞累積損傷法則不能考慮載荷間相互作用效應(yīng)的缺陷，通過分析不同應(yīng)力水平對疲勞損傷核數(shù)目的影響，把變