轮盘低循环疲劳寿命预测模型和试验评估方法研究

论文摘要

航空发动机轮盘的失效和破裂往往会导致灾难性的后果,因此轮盘被列为发动机的耐久性关键件和断裂关键件。低循环疲劳是轮盘最主要的失效模式。随着航空发动机性能和推重比的日益提高,轮盘承受着更高的应力和温度载荷,同时,也要求更高的工作可靠性。这对轮盘低循环疲劳寿命预测和试验评估的准确性提出了新的挑战。目前,美、英、法、俄等航空大国已经建立了比较完善的轮盘低循环疲劳寿命预测和试验评估体系。国内在该领域的研究还有较大差距。可见,开展轮盘低循环疲劳寿命预测模型和试验评估方法研究具有重要的理论意义和工程应用价值。本文从理论、试验和工程应用等方面对轮盘低循环疲劳寿命预测模型和试验评估方法进行了深入而系统地研究。全文由三部分组成:第一部分,轮盘低循环疲劳寿命预测模型和方法的研究和改进,包括第二章、第四章至第六章。首先,简要评述了轮盘低循环疲劳的特点、几种安全寿命预测模型及其影响因素。其次,针对轮盘低循环疲劳载荷非对称及其主要寿命区限,提出了一种改进的Walker应变寿命预测模型。再次,系统地推导了考虑危险部位数目对轮盘疲劳寿命影响的修正公式。最后,应用改进后的预测模型和多危险部位修正公式,计算了某涡轮盘的低循环疲劳寿命。结果表明,本文提出的寿命预测模型和修正公式简单、实用,预测精度高于其它常用的预测模型和方法。第二部分,轮盘及其材料低循环疲劳试验研究,涉及第三章至第四章。首先,设计和加工了某涡轮盘高温低循环疲劳试验件,在立式轮盘低循环疲劳试验器上成功地完成了该全尺寸涡轮盘高温低循环疲劳试验,通过裂纹断口分析获得了该涡轮盘的裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命。其次,补充测试了GH4133材料在250℃下,应变比分别为-1和0.44时,轴向应变控制的低循环疲劳性能。这些试验工作,也为研究轮盘低循环疲劳寿命预测模型和方法提供了验证平台。第三部分,轮盘小子样试验寿命可靠性评估方法研究,即论文的第七章。首先,根据次序统计量理论,系统地推导并给出了基于对数正态分布和双参数威布尔分布的疲劳寿命分散系数计算公式;由这些公式计算得到的分散系数与英国国防标准00-971和美国军用标准JSGS -87231A基本吻合,这表明这些计算公式是合理的。其次,基于拟合优度检验和失效率函数,研究了两种国产轮盘材料的低循环疲劳寿命分布规律。结果表明,形状参数大于1的三参数威布尔分布函数是建立国产轮盘材料GH4133和1Cr11Ni2W2MoV疲劳寿命分布的理想数学模型;对数正态分布假设一般可用于较低寿命阶段的轮盘材料疲劳寿命可靠性评估;双参数威布尔分布用作国产轮盘材料疲劳寿命分布模型时必须进行假设检验。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外发展及研究现状
• 1.2.1 轮盘低循环疲劳寿命预测模型和方法
• 1.2.2 轮盘低循环疲劳试验技术和试验评估方法
• 1.2.3 低循环疲劳寿命设计准则和规范
• 1.3 存在的不足和问题
• 1.4 本文研究工作和主要创新点
• 1.4.1 本文研究工作
• 1.4.2 主要创新点
• 第二章 轮盘低循环疲劳安全寿命预测方法
• 2.1 引言
• 2.2 轮盘低循环疲劳的特点
• 2.3 轮盘安全寿命的工程定义
• 2.4 名义应力法
• 2.4.1 名义应力法的假设和步骤
• 2.4.2 工程常用的S-N 曲线
• 2.4.3 应力集中
• 2.5 局部应力应变法
• 2.5.1 局部应力应变确定
• 2.5.2 应变寿命模型
• 2.6 影响轮盘疲劳寿命预测精度的几个因素
• 2.6.1 平均应力
• 2.6.2 尺寸效应
• 2.6.3 多轴循环应力应变
• 2.7 轮盘疲劳寿命的分散性
• 2.8 小结
• 第三章 某涡轮盘高温低循环疲劳试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 某涡轮盘高温低循环疲劳试验件设计
• 3.3 某涡轮盘高温低循环疲劳试验
• 3.3.1 立式轮盘低循环疲劳试验设备与试验原理
• 3.3.2 涡轮盘模拟温度场调试和考核
• 3.3.3 某涡轮盘高温低循环疲劳试验
• 3.4 涡轮盘销子孔裂纹断口分析
• 3.5 涡轮盘低循环疲劳试验结果分析
• 3.6 小结
• 第四章 Walker 应变寿命预测模型的改进
• 4.1 引言
• 4.2 Walker 应变寿命预测模型简介
• 4.3 GH4133 材料低循环疲劳性能数据补充测试
• 4.3.1 试验与数据处理方法
• 4.3.2 试验装置及试验结果
• 4.4 Walker 应变寿命预测模型的改进
• 4.5 Walker 应变寿命预测模型改进形式试验验证
• 4.6 小结
• 第五章 危险部位数目对轮盘低循环疲劳寿命的影响
• 5.1 引言
• 5.2 Weibull 分布函数和轮盘多危险部位
• 5.3 考虑危险部位数目对疲劳寿命影响的修正公式
• 5.4 工程应用实例
• 5.4.1 考虑榫槽数目影响的某压气机盘低循环疲劳寿命预测
• 5.4.2 考虑叶片数目影响的某整体叶盘低循环疲劳寿命预测
• 5.4.3 危险部位数目对轮盘疲劳寿命预测结果影响分析
• 5.5 小结
• 第六章 某涡轮盘低循环疲劳寿命预测
• 6.1 引言
• 6.2 涡轮盘销子孔应力应变计算
• 6.2.1 涡轮盘销子孔有效应力集中系数的确定
• 6.2.2 涡轮盘销子孔应力应变计算
• 6.3 涡轮盘低循环疲劳寿命预测
• 6.4 涡轮盘低循环疲劳寿命预测值与试验数据比较分析
• 6.5 小结
• 第七章 轮盘小子样试验寿命可靠性评估方法研究
• 7.1 引言
• 7.2 小子样疲劳寿命分散系数
• 7.2.1 服从对数正态分布的小子样疲劳寿命分散系数
• 7.2.2 服从双参数威布尔分布的小子样疲劳寿命分散系数
• 7.3 两种国产轮盘材料疲劳寿命概率分布规律研究
• 7.3.1 GH4133 材料疲劳寿命概率分布规律
• 7.3.2 1C111Ni2W2MoV 材料疲劳寿命概率分布规律
• 7.4 小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录