航天发动机涡轮有限元结构和疲劳分析

运用Nastrsan对航天发动机涡轮进行有限元计算分析,得出应力屈服最先发生在涡轮与叶片交汇处、过渡曲线区域是疲劳损伤危险区域的结论,并给出15个疲劳损伤最危单元点,为提高发动机涡轮寿命提供了新的研究方法和参考依据.     

涡轮盘合金氧化-疲劳裂纹扩展机理和寿命预测研究进展

航空发动机涡轮盘在其服役过程中往往在高温燃气环境下承受热载荷和机械载荷共同作用,最终因疲劳、蠕变以及氧化的交互作用而失效.随着高推重比航空发动机的发展和涡轮前温度的提高,氧化损伤对涡轮盘表面疲劳裂纹扩展的影响愈加显著,往往可使疲劳裂纹扩散速率提高1～2个数量级.综述氧化损伤对涡轮盘用高温合金疲劳裂纹扩展的影响以及疲劳裂纹尖端氧化损伤机理,分析裂纹尖端疲劳损伤、氧化损伤和动态脆化影响裂纹扩展的竞争机制,梳理考虑氧化损伤效应的疲劳裂纹扩展模型和数值模拟方法,对实现氧化-疲劳载荷作用下裂纹扩展速率的准确预测所还需开展的工作进行展望,以期有助于促进航空发动机涡轮盘损伤容限设计方法和工具的发展.     

某型涡轮增压器轴流涡轮疲劳寿命预测分析

针对船用涡轮增压器在发动机实际工况下的疲劳失效模式,基于发动机的耐久试验任务剖面,分析了增压器在不同工况下运行时的涡轮转速的变化规律,计算了船用涡轮增压器涡轮疲劳危险部位的应力变化情况,其最大应力出现部位位于叶片根部,最大应力值为647MPa。利用线性Miner累计损伤法则,统计出涡轮增压器涡轮在发动机整个耐久试验任务剖面过程中的总损伤量为0.004,根据总损伤量和耐久试验总时长,推算出涡轮增压器涡轮的寿命为33334h;通过拉森-米勒参数法分析计算在工作状态下,涡轮的蠕变寿命为316227h,为后续涡轮可靠性分析提供理论参考。     

基于民航发动机状态数据的涡轮叶片剩余寿命评估

针对民航发动机的特点,提出一种基于涡轮叶片外场故障数据及快速存取记录器(Quick access recorder, QAR)历史数据的涡轮叶片剩余寿命评估方法。从发动机QAR数据中提取涡轮叶片使用载荷谱,进而借助寿命损耗模型估算涡轮叶片的累积损伤量,并进一步评估涡轮叶片的剩余寿命。以涡轮叶片的蠕变损伤失效模式为例验证方法的可行性,方法可推广应用于热机械疲劳以及疲劳-蠕变交互作用失效模式下的涡轮叶片剩余寿命估计问题,为有限信息条件下外场发动机涡轮叶片的寿命评估提供了一种可行的工程方法,可为民航发动机在翼寿命评估及送修方案的制定提供决策支持。     

钛合金高周疲劳特性的影响因素分析

高周疲劳（HCF）亦称高循环疲劳,它是航空燃气涡轮发动机的主要失效方式之一。高周疲劳失效几乎涉及航空发动机每一个钛合金零件,如压气机叶片、压气机内环和机匣等,会导致发动机重要部件的过早失效,甚至整个发动机和飞机的损失。但仅研究高周疲劳并不能解决实质问题,必须研究各种损伤对钛合金材料高周疲劳特性的影响。损伤通常包含低周疲劳、外物损伤、在缺口或应力集中处形成裂纹和接触疲劳等,这些损伤都可能降低高周疲劳性能。本文主要介绍和总结了国内外有关低周疲劳和外物损伤对钛合金高周疲劳特性影响的研究现状。     

增压器涡轮箱疲劳分析与寿命预测

作为增压器核心零部件,涡轮箱的疲劳失效主要由热载荷引起。结合汽车发动机可靠性试验方法规范,通过CFD、FEA仿真和FEMFAT疲劳,计算分析增压器在不同工况下的温度及累积塑性应变分布情况和涡轮箱危险部位的疲劳损伤,对涡轮箱的疲劳寿命进行预测分析,经过计算分析该涡轮箱疲劳寿命约为1490 h,能够满足实际使用要求。     

某型航空发动机涡轮叶片服役微观损伤研究

涡轮叶片是航空发动机工作条件最为恶劣的热端部件,其工作性能的优劣决定着整机能否高效、安全、可靠工作。涡轮叶片在服役过程中不可避免地形成各类损伤,由于涡轮叶片制造复杂、造价昂贵,因此对涡轮叶片的服役损伤进行分析和梳理,使涡轮叶片得到安全可靠且充分有效的使用,具有重要的经济价值。利用金相观察、SEM分析和EDS分析等方法对某型航空发动机第一级高压涡轮叶片在服役过程中产生的微观损伤进行分析。结果表明该型航空发动机涡轮叶片的微观损伤以强化相的粗化和筏化为主。以此为基础建立了一套以强化相尺寸为指标的涡轮叶片服役微观损伤表征方法。对服役涡轮叶片开展了硬度测试试验,结果发现随着微观组织的退化,叶片各个部位的维氏硬度出现不同程度的下降。随后,对热暴露预损伤涡轮叶片材料薄壁试样在850℃/810MPa考核条件下开展了低周疲劳试验。结果表明随着微观组织的退化,合金的低周疲劳性能出现了不同程度的下降,说明服役微观损伤降低了涡轮叶片材料的抗疲劳性能。     

金属高温疲劳研究与发展

一、高温疲劳问题的重要性疲劳是使机械失效的一般机理。高温疲劳则是使热机械失效的特殊机理。这种失效在燃气涡轮发动机中尤为严重。一般地说,空中使用比地面使用严重,军用比民用严重。发动机的一些主要另件-压气机盘和叶片、燃烧室、涡轮导向叶片、工作叶片和涡轮盘、轴承等的寿命很大程度上受高温疲劳限制,其中涡轮部件又是整个发动机寿命的最危险部分。原因是     

定向凝固合金涡轮叶片的低周疲劳寿命研究

对某发动机DZ4定向凝固高温合金涡轮叶片进行了有限元应力分析，应力分析中考虑了发动机实际工作过程中的离心载荷和不均匀温度引起的热负荷。利用应力分析结果和该材料的疲劳特性计算了1次飞行起落过程造成的发动机低循环疲劳损伤和900h飞行的总损伤，根据损伤等效原理，确定了试验规定条件下与900h飞行等效的试验谱以及试验寿命折算为飞行小时寿命的计算公式。     

基于QAR数据的高压涡轮叶片疲劳-蠕变寿命预测

基于发动机运行产生的快速存取记录器(Quick Access Recorder, QAR)数据，提取右发高压涡轮转速比N₂(高压涡轮实际工作转速与设计转速之比)编制涡轮叶片载荷谱。建立流热固耦合模型，结合QAR数据及热力分析确立计算所需热边界条件，采用有限元软件对流热固耦合问题进行求解，得到不同工况下高压涡轮叶片的温度、应力、应变分布。采用Manson-Coffin模型和Larson-Miller模型分别进行叶片疲劳、蠕变寿命的预测，重点分析了叶片有无冷却对于寿命的影响，最后通过线性损伤累积理论得到叶片的疲劳-蠕变寿命。结果表明，叶片考虑内冷问题后疲劳寿命有所提高、蠕变寿命显著提高，预测得到的疲劳-蠕变寿命和实际寿命相近，可用于发动机涡轮叶片剩余寿命的预测及维修计划的制定。     

水平轴风电机组轮毂疲劳损伤计算方法

结合有限单元法和雨流计数法,利用名义应力法开发了一种用于水平轴风电机组轮毂疲劳损伤计算的方法.以某2.0MW水平轴风电机组轮毂为算例,分析了轮毂疲劳载荷产生的原因,在计算风电机组轮毂时序疲劳载荷的基础上,通过使用有限元分析选取轮毂疲劳热点,对轮毂疲劳应力进行雨流计数统计,结合轮毂结构S-N曲线计算了轮毂在20年运行寿命...     

Monitoring low cycle fatigue damage in turbine blade using vibration characteristics

A finite element based approach is used to simulate the evolution of low cycle fatigue damage in a turbine blade. The turbine blade is modelled as a rotating Timoshenko beam with taper and twist. A damage growth model for low cycle fatigue damage developed using a continuum mechanics approach is integrated with the finite element model. Numerical results are obtained to study the effect of damage growth on the rotating frequencies. It is found that low cycle fatigue causes sufficient degradation in blade stiffness for changes in rotating frequency to be used as an indicator to track damage growth. Continuum damage mechanics models in conjunction with finite element analysis are used to develop thresholds for damage indicators. By placing suitable threshold on the frequency change, it is possible to detect the onset of the final stage of damage in the structure before failure occurs.     

起动机动力涡轮叶片断裂故障研究与改进

系统归纳了动力涡轮叶片断裂故障的基本特征,分析了叶片断裂的根本原因在于叶片的一阶弯曲共振。在弯曲共振无法避免的情况下,从提高动力涡轮叶片的疲劳抗力入手,采用细晶＋方向性凝固＋热等静压的复合成型工艺,成功地解决了这一故障。     

风力发电机叶片损伤演化预测方法研究

根据风力发电机叶片的实际铺层和使用状况,以刚度退化模型为基础,发展了一个适合于风力发电机叶片的损伤演化模型,模型的基本思路是以单层板的刚度退化规律来预测整个叶片的损伤演化过程.对损伤过程进行了分析,给出了复合材料层合板刚度退化、内部损伤和损伤累积规律.     

基于泊松随机过程的风力发电机叶片疲劳寿命估算

疲劳寿命决定了正常工况下工程结构服役期限的长度,对其进行准确预测对于零部件疲劳强度设计至关重要。由于机械零部件在工作期间经常会受到随机变幅载荷的作用,载荷间相互作用效应现象十分显著,导致单次循环载荷对材料所造成的疲劳损伤量发生变化,若忽略该效应会影响疲劳寿命估算的准确性。针对当前研究中的疲劳损伤累积法则无法考虑该效应的问题,提出一种将非齐次泊松随机过程函数与伴随损伤理论相结合来估算零部件疲劳寿命的方法,解决了由于载荷间相互作用效应所带来的载荷作用顺序的问题,并以随机加载试验为例验证了该方法的准确性。将其应用于风力发电机叶片的疲劳寿命估算过程中,结果表明该方法可靠、有效,为风力机叶片的疲劳可靠性设计提供了新的路径。     

某型燃气轮机寿命分析

对燃气轮机的主要转子结构件进行强度计算,选取安全系数较小的低压涡轮盘和高压涡轮盘作为低循环疲劳的基本分析对象,进行低循环疲劳试验,得出低疲劳循环值,再通过不同次循环损伤比计算以及选取寿命分散系数,得出转子件的实际循环值,最后通过工作换算计算出燃气轮机的寿命。     

MW级风机塔筒门框焊缝的强度分析

运用有限元分析软件ANSYS建立某MW级风力发电机塔筒门框的有限元模型,分析了其在极限载荷下的静强度; 同时采用热点应力法对门框焊缝进行疲劳分析,基于临界面理论计算热点应力,并利用雨流计数法和Palmgren-Miner线性累积损伤理论计算了门框焊缝的疲劳损伤,结果表明,门框焊缝的极限强度和疲劳强度均满足使用要求。     

数字孪生驱动的航空发动机涡轮盘剩余寿命预测

为解决航空发动机涡轮盘剩余寿命在线预测难题,提出一种数字孪生驱动的涡轮盘剩余寿命预测方法。在建立数字孪生模型的过程中,首先,分析涡轮盘疲劳裂纹损伤机理,构建性能退化指标,建立涡轮盘性能退化过程的共性表征模型;其次,分析多种不确定性因素,采用状态空间模型建立涡轮盘性能退化过程的个性表征模型;然后,通过动态贝叶斯网络描述状态空间模型随时间的演化规律,建立涡轮盘性能退化过程的动态演化模型;最后,采用粒子滤波算法实现涡轮盘退化状态追踪和剩余寿命预测,从而完成涡轮盘性能退化数字孪生模型的建立。融合涡轮盘实时传感数据,通过贝叶斯推理实现对该数字孪生模型的动态更新。通过某型涡轮盘试验数据对该方法进行验证,结果表明该数字孪生模型能够较好地解决涡轮盘剩余寿命在线预测问题。     

兆瓦级风机偏航系统仿真分析与优化

偏航控制系统的作用就是保持机舱与风向一致,使风力发电机尽可能多地获取风能。针对风向的频繁变化,编写了一种自动偏航控制程序。在此基础上,对兆瓦级玻璃钢风力机叶片在风力、重力和离心力的耦合作用下的静力学进行仿真分析。通过对叶片额定风况下的静力学分析,不仅检验了叶片正常运行时的安全性,而且为后续的疲劳寿命分析提供疲劳载荷依据。根据Miner线性累积损伤法则的玻璃钢叶片疲劳寿命估计方法,实现对风机叶片疲劳寿命的计算。以仿真结果为依据,进行铺层优化设计,降低了叶片应力,提高了使用寿命。