不同温度下TC11钛合金微动疲劳寿命的模型与试验研究

发布时间：2020-04-05 16:36

【摘要】：微动疲劳现象在于航空领域中很普遍。与普通疲劳相比,它会显著降低构件的寿命。由于从航空发动机的压气机低压段到高压段的温度变化较大,为了确保发动机的安全,研究发动机钛合金构件在不同温度下的微动疲劳行为非常重要。因此,本文开展了不同温度下的微动疲劳试验研究,建立了考虑温度的微动疲劳寿命预测模型。主要的研究工作和研究结论如下:首先,设计了一种适用于高温的单卡头式微动疲劳试验装置,该装置采用应力环横向加载、高温桶式电阻炉加热以及水冷和风冷结合冷却方式。试验装置具有以下优点:应力环的凸台和梯形螺纹能够很好地起到防松的作用,应力环经强度校核满足高温微动疲劳试验的横向加载要求;对中保持及刚度增强装置能够解决单卡头式微动垫对应力环装置带来的对中不准和夹持刚度下降的问题;高温桶式电阻炉经温控仪控温能保证加热温度的稳定。其次,以钛合金TC11为微动疲劳试验材料,开展不同温度下的微动疲劳试验研究,试验发现TC11试验件的微动疲劳裂纹萌生阶段占总寿命的绝大部分;微动疲劳裂纹均萌生在微动垫与试验件接触区域的下边缘;随着温度的升高,试验件的磨损加剧;接触表面存在明显的微动斑痕。试验结果表明:TC11试验件的微动疲劳寿命随着温度的升高而下降,随着法向载荷的升高而逐渐下降;温度和法向载荷对微动疲劳寿命都有很大影响。最后,基于连接介质损伤力学,建立了考虑温度的微动疲劳寿命预测模型以分析不同温度下的微动疲劳寿命。该模型在现有的基于非线性疲劳损伤累积理论的微动疲劳寿命预测模型的基础上,引入温度相关的损伤速率因子以考虑温度对结构微动疲劳行为的影响。建立带圆弧段的平压头与试验件平面接触的有限元模型,采用单卡头式微动疲劳试验结果拟合得到的与材料相关的寿命预测模型参数,建全微动疲劳寿命预测模型,开展不同温度下的微动疲劳寿命数值模拟预测研究。以某型发动机钛合金TC11燕尾榫结构模拟件的微动疲劳试验寿命验证该模型性的有效性。结果表明预测寿命与试验寿命对比均在2倍误差范围以内,且预测裂纹萌生位置与试验中裂纹萌生位置相符合,验证了此寿命预测模型的有效性。
【图文】：

曲线,微动疲劳,循环数,摩擦系数

温度下 TC11 钛合金微动疲劳寿命的模型与试验研究试验研究件材料会发生物理和化学变化，会发生蠕变现象并在更为复杂。为研究高温下的微动疲劳，国内外研究学取得了很多进展。在微动疲劳过程中摩擦状态随循环数及外界载荷会发环境下，微动疲劳强寿命显著下降，而摩擦系数与室件摩擦力在微动疲劳作用下的变化，发现在 260℃的数略有增加，在之后的循环中保持不变。图 1.1 给出的静态摩擦系数曲线。

曲线,高温加热,摩擦系数,动磨损

在之后的循环中保持不变。图 1.1 给静态摩擦系数曲线。温和 260℃下的载荷循环数和静态摩擦系数之间的，大多数合金的氧化速率会随着温度的升高而加快接触，从而降低了摩擦系数。Waterhouse[15]也指出动磨损而使摩擦系数会增大，另一方面，如果氧化使摩擦系数会降低。图 1.2 给出了他的实验装置示意
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V252.2

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