航空發(fā)動(dòng)機(jī)輪盤低周疲勞壽命預(yù)測(cè)方法研究.pdf

1、作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)機(jī)主承力部件，長(zhǎng)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(dòng)載荷以及氣動(dòng)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(dòng)機(jī)的性能，進(jìn)而威脅到航空發(fā)動(dòng)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(huì)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(cè)方法研究具有重要的理論研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
　　目前，對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)輪盤的低周疲勞壽命預(yù)測(cè)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(huì)影響到輪盤低周疲勞壽命。本文針對(duì)上述難點(diǎn)問題，結(jié)合國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于故障物理技術(shù)的結(jié)構(gòu)疲勞可靠性設(shè)計(jì)理論及其應(yīng)用研究”以及我國航空

3、發(fā)動(dòng)機(jī)某型號(hào)課題“XX發(fā)動(dòng)機(jī)主要零部件壽命計(jì)算”，采用基于Walker平均應(yīng)力修正準(zhǔn)則、應(yīng)變壽命預(yù)測(cè)模型以及疲勞累積損傷理論對(duì)輪盤進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)，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(cè)模型。
　　工作狀態(tài)下，輪盤所受載荷復(fù)雜，局部區(qū)域會(huì)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(xiǎn)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(duì)稱循環(huán)，需要對(duì)其進(jìn)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(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(cè)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(cè)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(duì)稱的，而輪盤結(jié)構(gòu)的低

5、循環(huán)疲勞性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)大多是在對(duì)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(duì)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。基于此，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(duì)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(cè)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(cè)模型。
　　在復(fù)雜載荷的作用下，輪盤的危險(xiǎn)部位往往會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)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(diǎn)周圍非均勻分布應(yīng)力場(chǎng)密切相關(guān)。基于此，通過有限元方法得到輪盤危險(xiǎn)點(diǎn)周圍應(yīng)力場(chǎng)分布，分析應(yīng)力梯度對(duì)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(duì)輪盤進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。
　　(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(duì)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(cè)結(jié)果。輪盤疲勞裂紋的長(zhǎng)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(duì)疲勞損傷核數(shù)目的影響，把變