發(fā)布時間：2017-11-13 16:12

  本文關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機(jī)輪盤低周疲勞壽命預(yù)測方法研究

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【摘要】：作為航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)動部什之一,輪盤的主要功能是安裝葉片以傳輸功率。輪盛屬發(fā)動機(jī)主承力部件,長期服役在高溫和高轉(zhuǎn)速條件下,承受著離心載衍、熱載荷、振動載荷以及氣動載荷等多種載荷的耦合作用。輪盤的失效包括低削疲勞、彈翅性變形、榫齒斷裂和腐蝕殲裂等多種失效模式,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(jī)的性能,進(jìn)而威脅劍航空發(fā)動機(jī)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(jī)造成非包容性破壞,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(jī)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(diǎn)問題亟待解決。在工科中,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(diǎn)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”以及我國航空發(fā)動機(jī)某型號課題“XX發(fā)動機(jī)主要零部件壽命計算”,采用基于Walker平均應(yīng)力修正準(zhǔn)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(jìn)行疲勞壽命預(yù)測,并采用多種材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)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(zhǔn)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(jìn)行平均應(yīng)力修正�？紤]到輪盤的壽命區(qū)限,結(jié)合Walker平均應(yīng)力修正準(zhǔn)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)的低循環(huán)疲勞性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)大多是在對稱循環(huán)加載條件下得到的。Walker準(zhǔn)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,提出了種適用于不同材料的低周疲勞壽命預(yù)測模型。(3)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(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象,從導(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(diǎn)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(diǎn)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對輪盤進(jìn)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(kuò)展有著很大影響,進(jìn)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(dāng)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(dāng)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,把變幅載荷下的最大應(yīng)力水平作為參照點(diǎn),在非線性疲勞累積損傷模型中引入一個載荷間相互作用效應(yīng)參數(shù),提出了一個能考慮載荷相互作用效應(yīng)對疲勞壽命影響的非線性疲勞累積損傷法則。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V263.6

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