基于三维裂纹扩展模拟方法的涡轮盘损伤容限研究

发布时间：2021-02-17 15:03

　　燃气轮机与航空发动机的设计优化、寿命考核与检修维护越来越多地用到损伤容限方法,将结构中的裂纹作为研究对象,量化裂纹扩展寿命,在满足可靠性要求的前提下充分利用潜在的剩余寿命,是一种具有潜力的解决燃气轮机与航空发动机研制瓶颈的关键技术。本文针对目前三维裂纹扩展模拟技术和理论方法存在的问题,采用理论分析、数值模拟相结合的研究方法,基于弯折裂纹理论模型建立应力强度因子估算表达式,发展三维裂纹参数化建模、扩展模拟方法,并将上述研究成果应用于某涡轮盘的裂纹扩展行为研究,探索关键部位的裂纹尺寸与轮盘剩余寿命的联系。上述研究对于航空发动机轮盘损伤容限设计及延寿具有重要的理论意义和工程应用价值。本文主要的研究内容如下:（1）基于ANSYS平台及其APDL参数化设计语言,结合Matlab平台,发展一种基于有限元法的三维裂纹参数化自动建模与裂纹扩展模拟技术。该技术以镶嵌裂纹体的方式在结构中插入裂纹,通过裂纹扩展参量计算结果自动更新裂纹体,从而模拟裂纹扩展过程,实现裂纹参数化建模和自动扩展分析,为分析复杂结构损伤容限提供技术平台。（2）在裂纹扩展模拟中裂纹前沿局部位置可视为二维弯折裂纹,因此,可通过对二维弯折... 

【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)北京市

【文章页数】：115 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
符号说明表
第1章 绪论
    1.1 选题背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 裂纹扩展理论方法研究
        1.2.2 裂纹扩展数值模拟方法研究
        1.2.3 轮盘损伤容限研究
    1.3 本文研究内容
第2章 三维裂纹参数化建模与扩展模拟技术
    2.1 引言
    2.2 裂纹建模与网格划分
        2.2.1 裂纹体建模
        2.2.2 裂纹体嵌入对象模型
        2.2.3 裂纹前沿网格划分
    2.3 断裂参数与裂纹扩展量计算
        2.3.1 应力强度因子
        2.3.2 裂纹前沿局部扩展方向
        2.3.3 裂纹前沿局部扩展距离
    2.4 裂纹扩展模型的更新
    2.5 本章小结
第3章 基于弯折裂纹的三维裂纹应力强度因子估算方法
    3.1 引言
    3.2 弯折裂纹Ⅰ/Ⅱ型复合应力强度因子估算方法
        3.2.1 平面弯折裂纹理论基础
        3.2.2 考虑高阶项影响的估算公式修正
        3.2.3 数值计算验证
        3.2.4 应力场高阶项系数计算方法
        3.2.5 单段弯折裂纹Ⅰ/Ⅱ型应力强度因子估算
        3.2.6 两段弯折裂纹Ⅰ/Ⅱ型应力强度因子估算
    3.3 弯折裂纹Ⅲ型应力强度因子估算
        3.3.1 反平面弯折裂纹理论基础
        3.3.2 考虑高阶项影响的估算公式修正
n">        3.3.3 修正系数Mn

        3.3.4 单段弯折裂纹Ⅲ型应力强度因子估算
    3.4 本章小结
第4章 基于弯折裂纹理论的裂纹扩展方法改进
    4.1 引言
    4.2 改进的裂纹扩展量计算方法
        4.2.1 裂纹前沿扩展量计算修正
        4.2.2 裂纹扩展寿命计算
    4.3 裂纹前沿曲线的拟合处理
    4.4 裂纹扩展改进方法验证
        4.4.1 半椭圆表面裂纹平面扩展
        4.4.2 半圆型表面斜裂纹非平面扩展
    4.5 本章小结
第5章 涡轮盘损伤容限分析
    5.1 引言
    5.2 涡轮盘应力分析
        5.2.1 叶片、轮盘强度分析
        5.2.2 涡轮盘螺栓孔静强度分析
    5.3 涡轮盘损伤容限分析
        5.3.1 考核部位确定
        5.3.2 子模型处理
        5.3.3 裂纹扩展速率
        5.3.4 涡轮盘裂纹扩展模拟
    5.4 本章小结
第6章 结论与展望
    6.1 主要工作与结论
    6.2 主要创新点
    6.3 研究展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]三维非平面裂纹扩展参数化模拟方法[J]. 李宇飞,陶海亮,高庆,谭春青.  航空动力学报. 2017(12)
[2]航空发动机轮盘概率风险评估方法[J]. 毕苏艺,孙有朝,李龙彪,陈健,杨坤,侯乃先,曾海军.  南京航空航天大学学报. 2017(03)
[3]含销钉孔边裂纹的某压气机轮盘裂纹扩展分析[J]. 张智轩,石多奇,杨晓光.  航空动力学报. 2016(03)
[4]镍基单晶涡轮叶片榫头疲劳裂纹扩展寿命研究[J]. 张中奎.  机械强度. 2015(04)
[5]GH4698合金的疲劳裂纹扩展行为[J]. 王欢,袁超,郭建亭,秦鹤勇.  中国有色金属学报. 2015(01)
[6]考虑表面加工缺陷的轮盘疲劳寿命分析方法[J]. 陆山,李波.  航空发动机. 2014(05)
[7]航空发动机涡轮盘裂纹扩展分析[J]. 秦银雷,魏大盛,王延荣.  航空发动机. 2010(02)
[8]三维裂纹整体参数化模化方法[J]. 唐俊星,陆山.  航空动力学报. 2008(04)
[9]三维裂纹体应力强度因子的计算[J]. 林云,何文军,丁皓江,顾克秋.  计算结构力学及其应用. 1996(03)
[10]三维裂纹混合型应力强度因子的测定[J]. 吴大方,高镇同.  北京航空航天大学学报. 1996(03)

博士论文
[1]概率损伤容限分析体系及其关键技术的研究[D]. 杜永恩.西北工业大学 2014
[2]具有倾斜裂纹的CTS试样三维断裂行为研究[D]. 齐桂营.哈尔滨工程大学 2011
[3]含夹杂粉末高温合金涡轮盘裂纹扩展寿命研究[D]. 陈勇.南京航空航天大学 2003

硕士论文
[1]涡轮盘偏心孔概率损伤容限风险评定程序研究[D]. 闫周易.中国民航大学 2016
[2]某GH4169动力涡轮盘裂纹扩展研究[D]. 江有为.浙江大学 2016
[3]某航空发动机压气机叶片疲劳寿命与裂纹扩展的计算模拟[D]. 崔建雷.中国民用航空飞行学院 2015
[4]镍基单晶叶片榫头的断裂特性及接触性能的影响因素研究[D]. 郜玉芬.西安建筑科技大学 2014



本文编号：3038152

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