發(fā)布時(shí)間：2020-11-08 11:17

　　 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和可靠性提出了更高的要求。雙輻板渦輪盤作為一種先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù),能夠有效提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能并減輕其重量。然而目前關(guān)于雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和疲勞分析的研究很少。且針對(duì)渦輪盤典型應(yīng)力特征的高溫合金概率壽命預(yù)估精度不甚理想,如無法有效考慮因載荷不對(duì)稱而出現(xiàn)的平均應(yīng)力效應(yīng)、幾何不連續(xù)而產(chǎn)生的缺口效應(yīng)以及大危險(xiǎn)體積造成的尺寸效應(yīng)等對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響。因此本文將基于高溫合金的雙輻板渦輪盤作為研究對(duì)象,開展了綜合考慮平均應(yīng)力效應(yīng)、缺口效應(yīng)及尺寸效應(yīng)對(duì)疲勞壽命影響的概率壽命模型、壽命可靠性自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和彈塑性等壽命模擬試件設(shè)計(jì)方法的研究。首先,基于平均應(yīng)力/平均應(yīng)變對(duì)疲勞壽命影響的分析,注意到材料和載荷水平均對(duì)平均應(yīng)力效應(yīng)有不可忽視的影響,從而提出了可以有效考慮這兩種因素的修正Walker應(yīng)力壽命模型和新應(yīng)變壽命模型;其中修正Walker應(yīng)力壽命模型成功地預(yù)測(cè)了5種航空發(fā)動(dòng)機(jī)常用材料的9組光滑試棒的疲勞壽命,其誤差的均值和標(biāo)準(zhǔn)差均為所有對(duì)比模型中最小;新應(yīng)變壽命模型對(duì)兩種材料光滑試棒的壽命預(yù)估結(jié)果均在2倍分散帶內(nèi),對(duì)GH4133材料的光滑試棒和中心孔試件的最大預(yù)估誤差為-3.67%;兩種壽命模型均展示了很好的考慮平均應(yīng)力效應(yīng)的疲勞壽命預(yù)估能力,同時(shí)通過對(duì)這兩種模型的進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),載荷越小、應(yīng)力比越大,平均應(yīng)力效應(yīng)越明顯。其次,通過研究循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線的非線性響應(yīng)與疲勞壽命之間的內(nèi)在關(guān)系,提出以首次加、卸載過程中循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線偏離彈性線的面積為塑性應(yīng)變能損傷參量,并將其發(fā)展為等效塑性應(yīng)變能損傷參量以考慮平均應(yīng)力效應(yīng)的影響,從能量的角度建立了適用于小缺口件中短壽命預(yù)估的塑性應(yīng)變能壽命模型;隨后拓延提出其概率壽命預(yù)估模型以考慮材料、載荷、尺寸等隨機(jī)因素,尤其是循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線分散性對(duì)疲勞壽命的影響;先采用塑性應(yīng)變能壽命模型對(duì)8組光滑試棒和2組渦輪盤模擬試件進(jìn)行了疲勞壽命分析,結(jié)果顯示對(duì)光滑試棒塑性應(yīng)變能壽命模型與修正Walker應(yīng)力壽命模型的預(yù)估結(jié)果難分伯仲,但塑性應(yīng)變能壽命模型對(duì)模擬試件的預(yù)估誤差僅有3.0%左右,明顯優(yōu)于其他模型;采用塑性應(yīng)變能概率壽命模型對(duì)上述2組渦輪盤模擬試件進(jìn)行可靠性分析,數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)壽命的分布趨勢(shì)一致,給定可靠度下預(yù)估概率壽命最大誤差在-26.0%以內(nèi),精度較高;此外,通過靈敏度分析發(fā)現(xiàn),循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線分散性尤其是塑性分量的分散性對(duì)疲勞壽命分散性影響很大,不可忽視。再次,通過對(duì)疲勞缺口效應(yīng)和尺寸效應(yīng)的研究,發(fā)現(xiàn)缺口效應(yīng)本質(zhì)上也屬于廣義尺寸效應(yīng),而Weibull串聯(lián)系統(tǒng)理論則可以較好地解釋廣義尺寸效應(yīng);分析對(duì)比了三參數(shù)Weibull分布與對(duì)數(shù)正態(tài)分布各自特點(diǎn),發(fā)現(xiàn)Weibull分布能更好地描述疲勞壽命的分布,從而在相同材料不同應(yīng)力水平下疲勞壽命分布相似的假設(shè)下建立了可以描述任意應(yīng)力水平下疲勞壽命分布特性的三參數(shù)Weibull統(tǒng)一分布模型;基于“等概率壽命,等損傷”的基本思想,提出了將缺口附近任意應(yīng)力、應(yīng)力比下的小單元在損傷相等的意義下轉(zhuǎn)化為目標(biāo)應(yīng)力、目標(biāo)應(yīng)力比下的等效體積的方法,并在其基礎(chǔ)上建立了可以同時(shí)考慮平均應(yīng)力效應(yīng)、缺口效應(yīng)和尺寸效應(yīng)的等效體積概率壽命分析方法;該方法對(duì)10組FGH96材料缺口棒試件的中位壽命預(yù)估結(jié)果基本都在2倍分散帶內(nèi),對(duì)160件不同缺口類型、不同溫度、不同厚度和不同載荷水平下的渦輪盤模擬試件的概率壽命預(yù)估誤差的均值和標(biāo)準(zhǔn)差均為所有對(duì)比模型中最小,具有較強(qiáng)的概率壽命預(yù)估能力和較好的穩(wěn)定性。然后,分析了渦輪盤常見失效形式和靜強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,在等效體積概率壽命分析方法的基礎(chǔ)上,提出并建立了基于ANSYS-MATLAB雙平臺(tái)的雙輻板渦輪盤強(qiáng)度及壽命可靠性自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和平臺(tái),并通過修正三參數(shù)Weibull統(tǒng)一分布模型近似等效地考慮了應(yīng)力疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)、循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線、載荷及尺寸等隨機(jī)因素對(duì)疲勞壽命分散性的綜合影響,對(duì)某雙輻板渦輪盤進(jìn)行了壽命可靠性高效自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì),結(jié)果顯示雙輻板渦輪盤5個(gè)危險(xiǎn)部位中有3個(gè)部位接近概率壽命設(shè)計(jì)下限,其余2個(gè)部位也距設(shè)計(jì)下限較近,從而基本實(shí)現(xiàn)了雙輻板渦輪盤的等概率壽命設(shè)計(jì),并在單輻板盤設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上給出了適用于雙輻板渦輪盤優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)力安全系數(shù)建議值。最后,提出了以最危險(xiǎn)點(diǎn)Von-Mises等效應(yīng)力、最大等效應(yīng)力梯度和危險(xiǎn)等效體積為相似條件的彈塑性等壽命模擬試件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,并提出采用峰值載荷不變、以調(diào)整載荷比補(bǔ)償?shù)男问绞鼓M試件與輻板內(nèi)腔之間危險(xiǎn)體積相等的方法,對(duì)壽命可靠性優(yōu)化后的雙輻板渦輪盤輻板內(nèi)腔考核部位進(jìn)行了模擬試件設(shè)計(jì),最終設(shè)計(jì)所得模擬試件與輻板內(nèi)腔在P_s=500.%和P_s=99.87%時(shí)的概率壽命均基本相同,保證了兩者的壽命相似性。
【學(xué)位單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V231.9
【部分圖文】：

圖 1-1 單輻板渦輪盤（左）與雙輻板渦輪盤（右）結(jié)構(gòu)對(duì)比因此，開展基于高溫合金材料的雙輻板渦輪盤的壽命可靠性及優(yōu)化研究，一方展國內(nèi)關(guān)于考慮平均應(yīng)力效應(yīng)、缺口效應(yīng)和尺寸效應(yīng)影響的高溫合金概率壽命，進(jìn)一步揭示平均應(yīng)力、應(yīng)力梯度及危險(xiǎn)體積等應(yīng)力場(chǎng)因素以及材料、載荷、機(jī)因素對(duì)疲勞壽命影響的規(guī)律，提高對(duì)于渦輪盤等大型復(fù)雜構(gòu)件的概率壽命預(yù)其次，可以研究雙輻板渦輪盤的結(jié)構(gòu)特征和應(yīng)力分布，對(duì)各危險(xiǎn)部位進(jìn)行分析度和疲勞的薄弱環(huán)節(jié)，為后續(xù)雙輻板渦輪盤的設(shè)計(jì)、改進(jìn)及優(yōu)化等提供理論依支撐；更為關(guān)鍵的是，在可靠、有效的概率壽命分析方法的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)可靠性優(yōu)化的雙輻板渦輪盤等壽命設(shè)計(jì)，為目前尚處于理論研究階段的雙輻板計(jì)提供重要的技術(shù)拓展；此外，在對(duì)疲勞壽命影響因素分析的基礎(chǔ)上，可根據(jù)的原則對(duì)雙輻板渦輪盤危險(xiǎn)部位進(jìn)行“彈塑性等壽命”模擬試件設(shè)計(jì)，在較小以多子樣的模擬試件試驗(yàn)數(shù)據(jù)彌補(bǔ)雙輻板渦輪盤試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不足，從而可為雙盤的進(jìn)一步研究提供珍貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。雙輻板渦輪盤技術(shù)是高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。安全、高效、可靠的輪盤無疑會(huì)有效提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，減輕其重量，增加其可靠性，對(duì)于增

工程中的疲勞試驗(yàn)多數(shù)在對(duì)稱循環(huán)條件下進(jìn)行，然而實(shí)際應(yīng)用中大部分構(gòu)件均工作在非對(duì)稱載荷狀態(tài)，因此大部分構(gòu)件的危險(xiǎn)部位都會(huì)存在平均應(yīng)力/應(yīng)變的影響。工程中常見的典型載荷狀態(tài)如圖2-1所示。圖2-1(a)所示為對(duì)稱循環(huán)載荷，此時(shí)平均應(yīng)力mσ = 0，a maxσ = σ；圖 2-1(b)表示的是最小應(yīng)力minσ > 0的非對(duì)稱循環(huán)載荷，此時(shí)mσ > 0；圖 2-1(c)表示的是脈動(dòng)循環(huán)載荷，最小應(yīng)力minσ = 0且m a maxσ= σ= σ2。應(yīng)力幅值aσ 、平均應(yīng)力mσ 和峰值應(yīng)力maxσ 的關(guān)系可由式（2-1）表示�？梢钥闯�，在相同的應(yīng)力幅值下，平均應(yīng)力越大，則結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)點(diǎn)的峰值應(yīng)力越大，從而疲勞壽命越短；反之，在相同的峰值應(yīng)力下，平均應(yīng)力越大，則應(yīng)力幅值越小，從而疲勞壽命越長；在極限情況下，當(dāng)平均應(yīng)力等于峰值應(yīng)力時(shí)

圖 2-2 GH4169 材料在不同應(yīng)力比下的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均應(yīng)力效應(yīng)的應(yīng)力壽命模型應(yīng)力對(duì)于疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命均有明顯的影響，因此在對(duì)疲時(shí)有必要考慮平均應(yīng)力效應(yīng)。工程中所用于疲勞強(qiáng)度和疲18

本文編號(hào)：2874712