GH4169航空涡轮盘蠕变—疲劳行为有限元模拟和寿命预测

发布时间：2020-09-28 20:10

　　 目前,在很多航空发动机和大型汽轮机低压叶片制造中广泛使用GH4169合金,航空发动机是一个由多种零部件共同组成的复杂的集成系统,各零部件的工作环境十分复杂。发动机在工作状态时,受到高温、腐蚀等的作用的同时,还要承受着多种多样复杂的载荷与损伤作用,尤其是航空发动机涡轮盘在高温环境下的蠕变疲劳交互作用更是对传统寿命与可靠性技术研究提出了新挑战。针对以上问题,本文基于蠕变疲劳损伤用户子程序的有限元分析方法,系统研究了 GH4169合金材料的蠕变疲劳循环变形行为,并基于非统一循环本构对航空涡轮盘进行了有限元分析和寿命预测。主要研究工作和结论如下:(1)采用非线性随动硬化准则和Voce非线性等向强化准则耦合的Chaboche塑性本构模型和应变强化蠕变本构模型来描述GH4169合金的力学性能,并通过单向拉伸和低循环蠕变疲劳试验模拟,确定了本构模型中的材料性能参数。(2)基于联合随动强化和各向同性强化的循环本构模型,结合应变强化蠕变本构模型以及先进的蠕变-疲劳损伤模型对GH4169材料的蠕变疲劳循环变形行为进行了准确地模拟,有限元分析表明:随着保持时间的增长,压缩应力增大,应力松弛效应越明显;每周次蠕变损伤主要同保持时间有关,保持时间越长,每周次蠕变损伤越高,且在每周次总损伤中疲劳损伤占据主导地位;GH4169合金的蠕变疲劳寿命随着应变幅的增加显著降低,此外,随着保持时间的逐渐增大,试样的寿命逐渐降低。(3)在考虑转速的作用下,应用ABAQUS有限元软件,对航空涡轮盘结构件施加循环载荷,进行涡轮盘的弹塑性有限元应力应变分析,并采用循环本构模型以及蠕变疲劳损伤子程序,对涡轮盘进行蠕变疲劳寿命预测。有限元应力应变分析表明:涡轮盘的危险部位为轮盘中心孔,在不同转速作用下,其最大等效应力和最大主应变均出现在轮盘中心孔部位;疲劳载荷是影响其蠕变疲劳寿命的主要因素,当总累积损伤达到1时,在总累积损伤中,疲劳累积损伤占据着主导作用;涡轮盘蠕变疲劳寿命的长短跟转速大小有关,转速越大,涡轮盘总累积损伤达到1的速率越快,涡轮盘蠕变疲劳寿命越短;转速的大小还影响着疲劳累积损伤和蠕变累积损伤在总累积损伤中所占的比例,转速越高,蠕变累积损伤占总累积损伤的比例很小,转速降低,蠕变累积损伤占总累积损伤的比例增大。
【学位单位】：华东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V231.9
【部分图文】：

为了快速便捷地确定非线性随动硬化参数，本文利用ＡＢＡＱＵＳ有限元软件建立单逡逑元体模型，对单元体一个顶点相邻的三个面进行了约束，ｇ卩：认＝0，％＝0和认＝0，并逡逑施加％方向应变为0．00１＿的位移载荷。模型及具体约束方式如图２．３所示。逡逑Ｗ逡逑图２．３单元体模型及约束逡逑Ｆｉｇ．２．３邋Ｅｌｅｍｅｎｔ邋ｍｏｄｅｌｉｎｇ邋ａｎｄ邋ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ邋ｐａｔｔｅｒｎ逡逑通过单元体模型输出的应力－应变曲线与实验的应力－应变曲线的对比，不断地调整逡逑每个模型参数的值，直到调整后的误差范围在可接受范围内。ＧＨ４１６９的非线性随动硬逡逑化参数如表２．１所示。逡逑表２．１逦ＧＨ４１６９非线性随动硬化参数值逡逑Ｔａｂｌｅ邋２．１邋Ｖａｌｕｅｓ邋ｏｆ邋ｎｏｎｌｉｎｅａｒ邋ｋｉｎｅｔｉｃ邋ｈａｒｄｅｎｉｎｇ邋ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ邋ｆｏｒ邋ＧＨ４１６９逡逑Ｅ（ＧＰａ）逦ａ｜0（ＭＰａ）逦Ｃｙ（ＭＰａ）邋ｙ；逦Ｃ２（ＭＰａ）逦ｙ２逦Ｃｊ（ＭＰａ）逦ｙｊ逡逑ＧＨ４１６９逦１７１．０逦８３５逦４０８５９０逦２０００逦１１０００逦５０逦３０逦１逡逑２．５．３各向同性硬化参数确定逡逑基于单轴拉伸数据，可以确定各向同性硬化参数初值，同样地，用单元体模型对各逡逑向同性硬化参数进行确定，对单元体一个顶点相邻的三个面进行了约束，ｇ卩：认＝０，逡逑％＝０和？７；＝０，并施加％方向应变为０．１５ｍｍ的位移循环载荷２００周次，加载波形为三逡逑角波。通过对ＧＨ４１６９材料在６５０°Ｃ下应变速率为０．００４ｓ＿ｌ，应变范围为２％，保持时间逡逑为１８００ｓ

Ｆｉｇ．２．４邋Ｒｅｓｕｌｔｓ邋ｏｆ邋ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ邋ａｎａｌｙｓｉｓ邋ｗｉｔｈ邋ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ邋ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ邋（ａ）邋Ｑｘ邋ａｎｄ邋（ｂ）邋ｂ逡逑２．５．４应变强化蠕变本构模型参数确定逡逑图２．５给出了应变强化蠕变本构模型相关参数的确定过程，利用ＡＢＡＱＵＳ有限元逡逑软件对ＧＨ４１６９材料在６５０°Ｃ下应变速率为０．００４ｓ４，应变范围为２％，保持时间为１８００ｓ逡逑的应力随保持时间的变化进行单元体模拟。逡逑

力相差不大。此后，应力下降逐渐减缓，随Ｗ值越小，应力下降越为剧烈。通过与试验逡逑数据的对比，可以发现ｍ＝－０．７２的预测结果更接近于试验结果，因此ｍ取－０．７２。逡逑最终，通过图２．５所示的模拟结果可见，结合前几节中所给的参数，可以合理描述逡逑ＧＨ４１６９材料的应力松弛行为，参数合理。综上，最后得到６５０°Ｃ温度下ＧＨ４１６９合金逡逑的应变强化蠕变本构模型参数，如表２．２所示。逡逑表２．２应变强化蠕变本构模型参数逡逑Ｔａｂｌｅ邋２．２邋Ｖａｌｕｅｓ邋ｏｆ邋Ｓｔｒａｉｎ－Ｈａｒｄｅｎｉｎｇ邋ｃｒｅｅｐ邋ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅ邋ｍｏｄｅｌ邋ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ逡逑ｙ／逦ｎ逦ｍ逡逑５．８２３邋ｌｘｌ0－２３逦５．７７逦－０．７２逡逑２．５．５材料参数的最终值逡逑按照上述的方法对弹塑性循环本构模型和应变强化蠕变本构模型的各参数反复进逡逑行调试

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本文编号：2829212