离心压缩机叶片材料FV520B-I的超高周疲劳寿命研究

发布时间：2017-04-15 12:22

  本文关键词：离心压缩机叶片材料FV520B-I的超高周疲劳寿命研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：高强度钢FV520B-I被广泛用于压缩机叶片的生产与制造,叶片也是设备发生故障比较集中的位置,疲劳寿命要求达到109以上,属于超高周疲劳范围。大量的疲劳实验证明,在零部件实际的使用过程中,内部夹杂物是引起超高周疲劳失效的主要原因,随着循环载荷的不断作用,内部非金属夹杂物导致疲劳裂纹萌生并扩展,使得FV520B-Ⅰ的疲劳性能降低,最终发生破坏。这种破坏是不可逆的,并且没有任何征兆,将会造成极大的危害。然而目前尚未建立针对FV520B-Ⅰ的超高周疲劳寿命预测模型,相关数据也十分匮乏。因此首先明确离心压缩机工作时的受力情况,分析FV520B-Ⅰ的疲劳性能、疲劳强度,建立一个针对存在内部非金属夹杂物情况的FV520B-Ⅰ的疲劳寿命的预测模型是一个重要的研究课题。本文首先针对大型离心压缩机在实际工况中的三种工作状态进行了定性的模拟分析。结果发现在叶片前端与盖盘和底盘的接触位置应力较大,属于发生疲劳失效的危险位置。然后采用超声疲劳系统对FV520B-Ⅰ试件进行了疲劳试验,得到了疲劳寿命等实验数据。采用扫描电镜显微镜和光学显微镜对试件断口进行观察,并测量夹杂物尺寸,以实验应力幅值与疲劳寿命为基础得到FV520B-Ⅰ的S-N曲线,为后续疲劳寿命预测模型的建立打下基础。观察发现明显的GBF (Granular Bright Facet)区和“鱼眼”区特征,表明了在超高周疲劳情况下内部夹杂物与氢元素对疲劳性能的影响。以断裂力学为理论基础,根据已有的比较成熟的理论,将夹杂物等效为疲劳裂纹处理,根据应力强度因子与应力强度因子幅值的关系,建立了疲劳强度与夹杂物尺寸的关系。结合氢元素以及应力比r对疲劳强度的影响,对疲劳强度进行了修正,修正后的模型与实验结果相吻合。最后在经典微观位错、能量理论和Paris公式的基础上,将疲劳裂纹萌生寿命模型和扩展寿命模型进行整合,确定了基于内部夹杂物的超高周疲劳寿命预测模型。根据疲劳实验数据对模型中与材料相关的参数进行了拟合,得到了针对FV520B-I的疲劳寿命预测模型,并将实验数据与预测结果进行了比较,误差均在可以接受的范围。该模型以夹杂物尺寸为变量,考虑了氢元素以及应力比的影响,因此可以用于FV520B-I存在内部非金属夹杂物情况下的疲劳寿命预测。对FV520B-I的疲劳特性的研究是一项理论上有难度、实践性很强,同时又具有重要的社会意义和经济价值的工作。
【关键词】：疲劳寿命 疲劳强度 夹杂物 FV520B-Ⅰ 离心压缩机
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH452
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-14
• 1.1 研究背景与意义9-11
• 1.2 超高周疲劳寿命预测研究发展11-12
• 1.3 本文主要研究内容12-14
• 2 大型离心压缩机叶片的气动载荷分析14-23
• 2.1 旋转失速以及喘振发生的机理14-15
• 2.2 不同状态下压缩机叶片气动载荷分析15-18
• 2.2.1 常工作状态下的气动载荷分析15-17
• 2.2.2 旋转失速的气动载荷分析17-18
• 2.2.3 喘振状态下的叶轮叶片气动载荷分析18
• 2.3 不同状态下压缩机叶片应力分析18-22
• 2.3.1 压缩机自身离心力产生的应力分析18-19
• 2.3.2 常工作状态下的压缩机叶片应力分析19
• 2.3.3 叶片正常工作状态下疲劳裂纹应力分析19-20
• 2.3.4 旋转失速状态下压缩机叶片应力分析20-21
• 2.3.5 喘振状态下的叶片应力分析21-22
• 2.4 本章小结22-23
• 3 疲劳失效机理分析与疲劳实验23-42
• 3.1 疲劳分析基本参数23-26
• 3.1.1 应力强度因子23-24
• 3.1.2 断裂韧度24-26
• 3.1.3 应力强度因子门槛值26
• 3.2 疲劳失效机理分析26-30
• 3.2.1 疲劳裂纹萌生机理26-28
• 3.2.2 疲劳裂纹扩展机理28-30
• 3.3 超声疲劳实验30-41
• 3.3.1 超声疲劳实验设备及原理30-33
• 3.3.2 实验结果33-36
• 3.3.3 超声疲劳实验断口分析36-41
• 3.4 本章小结41-42
• 4 疲劳强度分析42-52
• 4.1 影响疲劳强度的因素42-43
• 4.2 应力状态对疲劳强度的影响43-46
• 4.2.1 应力集中对疲劳强度的影响43-44
• 4.2.2 平均应力与应力幅值对疲劳强度的影响44-45
• 4.2.3 应力比对疲劳强度的影响45-46
• 4.3 内部存在非金属夹杂物情况下的疲劳强度46-47
• 4.3.1 夹杂物对疲劳强度的影响46
• 4.3.2 疲劳强度与内部夹杂物关系46-47
• 4.4 超高周疲劳强度47-51
• 4.4.1 GBF区对疲劳强度的影响47-49
• 4.4.2 考虑氢元素影响的疲劳强度σw49-51
• 4.5 本章小结51-52
• 5 FV520B-I超高周疲劳寿命预测52-63
• 5.1 寿命预测理论以及模型52-55
• 5.1.1 疲劳寿命分析理论52-53
• 5.1.2 疲劳寿命预测模型分析53-55
• 5.2 针对叶轮叶片材料FV520B-I的寿命预测模型55-61
• 5.2.1 疲劳裂纹萌生模型56-57
• 5.2.2 疲劳裂纹扩展模型57-58
• 5.2.3 FV520B-I疲劳寿命计算模型58-61
• 5.3 疲劳寿命模型验证与误差分析61-62
• 5.4 本章小结62-63
• 结论63-64
• 参考文献64-70
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况70-71
• 致谢71-72

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

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本文编号：308404