压气机钛合金轮盘裂纹扩展寿命分析与试验

轮盘是航空燃气涡轮发动机的关键零件,主要承担安装转子叶片、传递转矩、减小鼓筒工作变形等重要作用。国内外针对损伤容限方法和工具等进行了持续30多年的研究。考虑到国内轮盘的裂纹扩展研究还没有进入应用阶段,民用航空发动机的设计和适航取证还缺少足够准确的方法、工具用于计算和确认轮盘的裂纹扩展寿命,因此,以某航空发动机高压压气机第一级钛合金轮盘为研究对象,采用三维有限元仿真计算裂纹尖端应力应变场,基于Paris公式和NASGRO公式分别计算了某级压气机钛合金轮盘的裂纹扩展寿命,对裂纹扩展进行了试验验证,采用电火花加工工艺在盘心预制平行于子午面的模拟裂纹,在高速旋转试验台上进行高温低循环裂纹扩展试验。结果表明：在进行30000次循环后裂纹扩展至7.475 mm;两种仿真分析得到的裂纹扩展寿命较实测值分别偏低16.67%和31.33%,NASGRO公式预测结果更趋于保守和安全,因此NASGRO公式具备工程应用的可行性和优势。     

某直升机旋翼轴低周疲劳寿命研究

旋翼轴是直升机传动系统的关键部件之一。基于此,利用有限元计算分析与疲劳试验相结合方法,研究了某直升机旋翼轴低周疲劳寿命,计算结果及分析表明旋翼轴低周疲劳薄弱区域位于行星架位置;试验结果表明试验方案可行,止扭方案效果好,旋翼轴失效部位与计算结果一致。另外,对旋翼轴断口分析显示裂纹起源于行星架轴颈受载圆周面根部转角R处,失效形式为疲劳断裂,根据疲劳条带计算获得疲劳裂纹扩展寿命与应变监测获得相近;该旋翼轴在规定载荷谱下疲劳寿命约为58.3万次,满足型号设计要求。     

非对称循环疲劳寿命研究及涡轮盘概率寿命分析

提出基于试棒非对称循环疲劳实验数据的发动机轮盘低周疲劳寿命可靠性分析方法.通过250℃恒温两种不同应变比下GH4133材料疲劳实验,得到应变疲劳寿命曲线.通过有限元数值模拟标准试棒寿命,说明用非对称循环应变寿命曲线估算结构寿命比对称循环应变寿命曲线估算更准确.最后采用所提方法计算分析某涡轮盘销钉孔边低周疲劳概率寿命,寿命数值计算结果与试验结果吻合良好.     

某型涡轴发动机轮盘三维裂纹扩展研究

为了解某涡轴发动机轮盘疲劳试验提前失效原因,采用损伤容限设计方法和Franc3D裂纹分析软件对轮盘开展了三维裂纹扩展分析,发现裂纹扩展寿命小于疲劳试验检查间隔,损伤容限设计不满足要求是导致轮盘破裂的主要因素,对损伤容限设计在工程中的应用有一定指导意义。     

离心轮内部疲劳裂纹扩展及其无损定量表征

为研究某离心轮内部疲劳裂纹扩展及其无损定量表征，开展了高速低循环旋转疲劳试验以及多种无损检测定量表征、断口分析、疲劳裂纹扩展仿真对比研究。研究结果表明：疲劳裂纹到达表面后，疲劳裂纹处于非稳定扩展阶段；20 000~21 700循环间，区间疲劳裂纹扩展速率仿真值与无损表征值接近；21 700~21 789循环间，区间疲劳裂纹扩展速率无损表征值比仿真值大2.5倍左右。疲劳裂纹在离心轮内部、夹杂缺陷区外扩展时，疲劳裂纹处于稳定扩展阶段；全聚焦法(TFM)超声检测和衍射时差(TOFD)超声检测能识别离心轮夹杂缺陷/疲劳裂纹内部扩展；0循环和6000循环时疲劳裂纹在夹杂缺陷区内，无损检测表征值均未发生变化；9000循环及之后，裂纹高度H和径向长度LR的TFM超声无损表征值出现明显的增大，变化与断口值相似但增幅偏小。     

轮盘低循环疲劳寿命可靠性分析方法

疲劳寿命呈现异方差特性,其标准差随弹性应变幅和塑性应变幅的减小而增大,因此在Manson-Coffin公式中引入标准正态变量斗和线性标准差σe、σp,将ε-N曲线参数表示为随机变量μ的函数,建立了低循环疲劳寿命的概率模型。在低循环疲劳试验数据的基础上应用异方差回归分析方法获得了该模型的参数,通过蒙特卡洛模拟验证了模型的精度。应用该模型进行等厚空心轮盘的低循环疲劳寿命可靠性分析,得到了轮盘中心孔危险点的疲劳寿命分布。由于没有事先假设疲劳性能参数的分布特性,参数均由试验数据分析得到,并且采用异方差回归分析能够充分利用数据信息,在提高分析精度的同时能够节约疲劳试件,因此该分析方法具有较好的工程应用前景。     

汽车用SPHC热轧薄钢板的低周疲劳特性

对2.0 mm厚汽车用SPHC热轧薄钢板进行低周循环应变疲劳试验,获得了应力-应变曲线、应变-寿命曲线、应变滞回环曲线以及相关疲劳常数指标,并对疲劳断口形貌进行观察.结果表明:SPHC钢在试验范围内具有非Masing效应;拟合得到SPHC钢的循环强度系数为284,循环应变硬化指数为0.128;通过Manson-Coffin方程拟合得到SPHC钢的疲劳强度系数为467 MPa,疲劳强度指数为-0.078,疲劳延性系数为0.323,疲劳延性指数为-0.609;疲劳断口由裂纹源区、裂纹扩展区、瞬断区组成,裂纹扩展区由大量疲劳辉纹组成,瞬断区存在大量韧窝,SPHC钢具有良好的塑韧性.     

对2024铝合金疲劳裂纹扩展寿命进行预测

通过二维弹塑性有限元计算得到Ⅰ型静态裂纹在常幅疲劳载荷下裂纹尖端塑性应变能,进而获得裂纹尖端塑性应变能和应力强度因子幅值的非线性关系;根据能量平衡概念,建立了裂纹扩展速率与裂纹尖端塑性应变能的关系。由此得到一种基于裂纹尖端塑性应变能的疲劳裂纹扩展寿命预测模型,利用该模型预测了中心裂纹平板的疲劳裂纹扩展寿命,预测结果与试验值吻合得很好。     

残余热应力对复合材料双面胶接含裂纹铝合金板修复结构疲劳寿命的影响

为研究残余热应力对复合材料双面胶接修复损伤金属结构疲劳寿命的影响,利用T300/E51复合材料补片对含中心裂纹的LY12CZ铝合金板进行双面胶接修复,研究了修复结构的疲劳寿命,并通过断口分析反推出了疲劳裂纹的扩展情况;利用Abaqus软件建立了考虑残余热应力的修复结构的三维有限元模型,分别计算了应力强度因子随裂纹长度的变化关系,并利用二次多项式拟合得到了应力强度因子幅值与裂纹长度的关系式;最后,利用Pairs公式材料常数修正法,对修复结构的疲劳寿命进行了预测。结果表明:在相同的疲劳载荷条件下,裂纹板修复结构的疲劳寿命约为未修复裂纹板的23倍;残余热应力会增加裂纹尖端的应力强度因子;有限元模拟的裂纹板修复结构的疲劳寿命与试验结果吻合较好,相对误差为3.7%。     

预腐蚀7A09铝合金腐蚀坑处萌生疲劳裂纹扩展深度的估算

含初始缺陷铝合金结构的寿命评估方法大多需要用到裂纹扩展深度这一难以直接测得的参数,为了找到其与表面裂纹长度之间的关系,对预腐蚀7A09铝合金进行疲劳试验,并利用扫描电镜结合能谱仪进行疲劳断口分析,发现了腐蚀坑处萌生裂纹沿着深度方向的扩展规律。结果表明:7A09铝合金的疲劳断口多呈脆性断裂特征,富集的增强相反而会成为脆性相,降低材料的塑性变形能力;对于单一裂纹源主导的疲劳断裂,其内部扩展深度与表面裂纹长度之间存在线性关系,通过检测构件中裂纹的表面长度可以获得其扩展深度,对于结构剩余寿命的估算具有参考价值;对于多源疲劳,裂纹扩展长度与深度间无确定的关系。。     

连接方式对紧固孔疲劳性能的影响

通过对紧固孔件的疲劳试验,研究不同连接方式对其疲劳性能的影响.对两种不同连接方式的紧固件的疲劳试验结果进行对比分析,对疲劳断口进行观察分析,基于当量初始裂纹(equivalent initial flaw size)理论计算不同连接方式下的原始疲劳质量.试验结果表明,采用沉头铆钉连接方式紧固孔的疲劳寿命略长于采用沉头螺栓连接方式的紧固孔,但沉头铆钉连接方式紧固件疲劳寿命的分散性较后者大;铆接紧固件的当量初始裂纹尺寸比螺接紧固件小,原始疲劳质量有所提高;在不同连接方式下,裂纹萌生位置不变,裂纹萌生寿命约为紧固件总疲劳寿命的80％.     

铣削参数对高温合金GH4169低周疲劳性能影响研究

利用正交试验法,以不同的参数侧铣加工出9组疲劳试样,通过硬度仪与三维轮廓仪等测出试样表面质量参数,再利用疲劳实验机进行低周疲劳对比试验,最后使用SEM电镜对试样断口进行分析。疲劳实验表明:切削速度对低周疲劳寿命的影响变化最大,铣削深度次之,进给量的影响最小。试样在高于屈服强度的载荷的循环作用下,内部塑性变形,引起疲劳裂纹源的萌生和扩展是疲劳断裂的主要原因。同时建立了低周疲劳寿命关于铣削参数的数学模型,可用于估算低周疲劳寿命的长短。     

某型航空发动机钛合金轮盘模拟疲劳试验件设计

除了考核部位的最大应力水平外,应力梯度分布也是影响航空发动机轮盘大应力区域低循环疲劳寿命的重要因素。据此研究了一种模拟疲劳试验件,可以根据考核位置的实际应力分布,优化计算模拟件的几何尺寸参数,使模拟件的最大应力水平和应力梯度与实际三维特征非常接近,其设计以ANSYS WORKBENCH的Design Xplorer参数优化模块为平台,设计过程简洁、直观和高效;另外获得了模拟件的实测寿命数据并用于指导某型航空发动机的试车任务,并通过了一定循环次数下的航空发动机试车考核。提出的模拟疲劳试验件为发动机轮盘低循环疲劳寿命设计提供了一种有效且成本较低的方法。     

基于J积分方法预测柴油机活塞的剩余疲劳寿命

运用ANSYS有限元程序计算分析了6S35MC-C型柴油机塞的三维温度场和三维应力应变场,进行了高温低周疲劳裂纹扩展模拟试验,并应用当量J积分方法预测了6S35MC-C型柴油机活塞的剩余疲劳寿命。研究结果表明,活塞材料的高温低周疲劳裂纹扩展速率可由当量J积分范围表征,应用当量J积分方法预测6S35MC-C型柴油机活塞的剩余疲劳寿命是可行的,为柴油机安全设计与合理使用具有参考价值。     

基于Isight的民用航空发动机轮盘优化设计

本文以Isight为优化平台,集成建模、分网和计算分析软件,建立对航空发动机轮盘进行优化设计的流程。以最大周向应力和低循环疲劳寿命为约束,采用轮盘质量为目标函数,应用试验设计和序列二次规划法的组合优化方法,在轮盘周向应力和低循环疲劳寿命满足设计要求的情况下,减轻轮盘质量8.1%。同时,通过对轮盘参数的研究,得到了各参数与目标变量之间的关系。     

2E12-T3铝合金蒙皮环向对接结构的疲劳性能

通过有限元仿真确定蒙皮环向对接结构的疲劳危险部位,计算得到2024-T3铝合金对接结构的理论细节疲劳额定值(DFR).对2E12-T3铝合金蒙皮环向对接结构进行疲劳试验,分析了疲劳断裂位置和断口形貌,计算得到该对接结构的试验DFR,并与2024-T3铝合金对接结构的理论DFR进行对比分析.结果表明:蒙皮环向对接结构试样均在蒙皮端部钉孔处发生疲劳破坏,与有限元分析得到的结构薄弱部位一致;裂纹起源于蒙皮与带板贴合面且与加载方向垂直的蒙皮孔壁上,裂纹扩展区存在疲劳条带和少数韧窝,瞬断区存在韧窝及空洞;2E12-T3铝合金对接结构的DFR相比于2024-T3铝合金对接结构提升约13.9％.     

直齿轮弯曲疲劳裂纹的扩展行为预测与分析

以渐开线圆柱齿轮为研究对象,在其齿根部存在初始裂纹的前提下,研究齿根疲劳裂纹扩展特性及其寿命;将齿轮啮合过程的动力学计算等效为多个啮合位置的静力分析,得到不同位置的应力强度因子;根据线弹性断裂力学,将裂纹扩展过程线性等效,以K判据分析裂纹是否发生扩展,根据Paris准则计算裂纹扩展量,采用最大周向应力准则确定裂纹扩展角度,得到整个计算周期的应力强度因子、疲劳裂纹扩展路径及疲劳寿命;采用高频试验台对齿轮进行疲劳试验,得到齿轮的疲劳扩展路径,与有限元计算结果进行对比验证;最后分别分析了初始裂纹的尺度、位置和载荷的不同对疲劳裂纹的扩展及疲劳寿命的影响。     

镍基单晶涡轮叶片榫头疲劳裂纹扩展寿命研究

设计航空发动机涡轮叶片榫头/榫槽接触模拟试验件,基于涡轮叶片的实际工况,进行了榫头/榫槽接触疲劳试验。基于Paris公式提出了榫头接触疲劳裂纹扩展寿命模型,并采用晶体滑移有限元程序对涡轮榫头/榫槽接触进行了有限元模拟。有限元分析得到的疲劳裂纹扩展寿命与试验结果相符,表明提出的疲劳裂纹扩展寿命模型可用于指导分析榫头寿命。     

轻型商用车少片钢板弹簧疲劳裂纹扩展研究

通过商用车实车道路试验,对少片钢板弹簧型疲劳裂纹扩展进行研究.经减速带冲击工况试验得到板簧应力和疲劳裂纹扩展速率最大处,用此位置和距中心螺栓孔16mm处粘贴的应变片实时采集板簧应力,同时使用位移传感器实时采集中心螺栓孔相对车架位移.基于裂纹尖端附近应力场及应力强度因子的方法对数据进行分析,最终完成7种工况的实车道路试验.结果表明:距中心螺栓孔116mm处的疲劳裂纹扩展速率较大,与此类钢板弹簧容易发生疲劳故障的位置吻合.通过理论分析与试验验证此方法可以应用于板簧裂纹扩展速率预测.     

GH4169镍基高温合金的高温低周疲劳性能

对国产GH4169镍基高温合金进行了总应变控制的高温低周疲劳试验,研究了其疲劳性能,分析了断口形貌。结果表明:试验合金具有较好的高温低周疲劳性能,与进口Inconel 718镍基合金的相近,但在较低的总应变范围下比Inconel 718合金的疲劳寿命要低;该合金在不同总应变范围下都表现出明显的循环软化行为;合金试样的疲劳断口呈多裂纹源性,疲劳源数量随总应变范围的降低和疲劳寿命的延长而减少;疲劳裂纹都萌生于表面,穿晶扩展到一定径向深度时,会出现沿晶扩展特征。