航空发动机涡轮转子结构寿命评估方法研究

发布时间：2017-10-29 18:19

  本文关键词：航空发动机涡轮转子结构寿命评估方法研究

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【摘要】：航空发动机中的涡轮转子结构包含叶片、轮盘以及连接叶盘的榫头/榫槽结构,是发动机最主要的结构件之一,属于高温、高负荷的典型热端部件,其可靠性与结构完整性对发动机而言具有十分重要的意义。根据航空发动机涡轮转子结构的设计特点和工作环境,结合国内外对寿命评估的研究成果,本文研究了发动机涡轮转子结构的寿命评估方法,具体内容如下:1.研究了低循环疲劳的基本理论及定寿方法。根据疲劳载荷谱的含义和处理方法出发,以局部应力应变分析法为主要研究对象,明确了该方法的基本原理、计算流程和适用范围。2.以涡轮转子的中易产生高循环疲劳失效的涡轮叶片为主要对象,研究了高循环疲劳寿命理论及定寿方法。首先阐述了叶片的共振分析方法。在材料S-N曲线的基础上,确定了等幅载荷下高循环疲劳寿命的评估方法,在此基础上进一步介绍了复杂载荷作用下的疲劳累积损伤理论。3.针对热端部件的工作环境,研究了蠕变持久寿命分析方法。介绍了蠕变的基本概念以及蠕变寿命分析的基本方法,并根据国内外发动机研制经验,提出了涡轮结构抗蠕变设计要求和设计方法。4.针对某小型涡扇发动机,采用三维流固耦合方法分析了涡轮结构的温度分布,并通过对涡轮结构进行整体建模,采用弹塑性有限元方法计算了结构的应力-应变。利用Larson-Miller方程计算蠕变寿命,然后采用Manson Coffin方程计算低循环疲劳寿命,并根据共振分析结果分析了高循环疲劳的影响,确定了榫齿齿根倒圆位置为寿命薄弱环节,最终给定了102次工作循环作为结构的预期寿命。
【关键词】：涡轮转子 低循环疲劳 高循环疲劳 蠕变 寿命评估
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V232
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 课题背景和研究意义9-11
• 1.1.1 航空发动机的涡轮结构9-10
• 1.1.2 航空发动机的结构完整性10-11
• 1.1.3 涡轮结构的寿命11
• 1.2 国内外研究现状11-14
• 1.2.1 结构完整性设计11-12
• 1.2.2 疲劳寿命评估方法12-13
• 1.2.3 蠕变寿命评估方法13-14
• 1.3 本文研究内容14-16
• 第2章 低循环疲劳寿命理论及评估方法16-26
• 2.1 引言16
• 2.2 低循环疲劳载荷谱16-20
• 2.2.1 载荷谱的含义16-17
• 2.2.2 雨流计数方法17-20
• 2.3 循环载荷下材料的应力-应变行为20-22
• 2.4 局部应力应变法22-24
• 2.4.1 基本原理22-23
• 2.4.2 低循环疲劳寿命评估方法23-24
• 2.4.3 局部应力应变法的适用范围24
• 2.5 本章小结24-26
• 第3章 高循环疲劳寿命理论及评估方法26-36
• 3.1 引言26
• 3.2 叶片共振分析方法26-29
• 3.2.1 叶片的固有模态26-27
• 3.2.2 叶片频率的影响因素27-28
• 3.2.3 叶片共振特性28-29
• 3.3 材料的S-N曲线29-30
• 3.4 等幅载荷下高循环疲劳寿命估算30-32
• 3.5 疲劳损伤累积理论32-35
• 3.5.1 基本概念32-33
• 3.5.2 线性损伤累积33-34
• 3.5.3 双线性损伤累积34-35
• 3.6 本章小结35-36
• 第4章 蠕变/持久寿命分析方法36-44
• 4.1 引言36
• 4.2 蠕变的基本概念36-40
• 4.2.1 蠕变的定义36-37
• 4.2.2 蠕变曲线37-38
• 4.2.3 蠕变的影响因素38-39
• 4.2.4 持久强度39-40
• 4.3 蠕变寿命分析基本方法40-41
• 4.3.1 Larson-Miller方法40
• 4.3.2 θ 函数法40-41
• 4.4 涡轮结构抗蠕变设计要求41-42
• 4.5 本章小结42-44
• 第5章 某发动机涡轮转子结构寿命评估44-59
• 5.1 引言44-45
• 5.2 寿命评估输入条件分析45-51
• 5.2.1 涡轮三维换热分析45-46
• 5.2.2 弹塑性有限元分析46-49
• 5.2.3 寿命关键点载荷谱49-51
• 5.3 蠕变/持久寿命评估51-52
• 5.3.1 蠕变/持久寿命预测模型51
• 5.3.2 蠕变持久损伤51-52
• 5.4 低循环疲劳寿命评估52-53
• 5.4.1 工作循环载荷谱提取52
• 5.4.2 低循环疲劳寿命预测模型52-53
• 5.4.3 低循环疲劳损伤分析53
• 5.5 叶片共振分析及高循环疲劳影响研究53-57
• 5.5.1 固有特性计算53-54
• 5.5.2 激振力频率分析54-55
• 5.5.3 共振裕度分析55-56
• 5.5.4 动强度分析56-57
• 5.6 本章小结57-59
• 结论59-61
• 参考文献61-64
• 攻读学位期间发表的论文及其它研究成果64-66
• 致谢66

【参考文献】

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1 王卫国;轮盘低循环疲劳寿命预测模型和试验评估方法研究[D];南京航空航天大学;2006年

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本文编号：1114133