双辐板盘典型应力特征概率寿命模型及寿命可靠性自动优化设计方法

发布时间：2020-11-08 11:17

　　 随着科学技术的发展,人们对航空发动机的性能和可靠性提出了更高的要求。双辐板涡轮盘作为一种先进航空发动机的关键技术,能够有效提高航空发动机的性能并减轻其重量。然而目前关于双辐板涡轮盘结构设计和疲劳分析的研究很少。且针对涡轮盘典型应力特征的高温合金概率寿命预估精度不甚理想,如无法有效考虑因载荷不对称而出现的平均应力效应、几何不连续而产生的缺口效应以及大危险体积造成的尺寸效应等对结构疲劳寿命的影响。因此本文将基于高温合金的双辐板涡轮盘作为研究对象,开展了综合考虑平均应力效应、缺口效应及尺寸效应对疲劳寿命影响的概率寿命模型、寿命可靠性自动优化设计方法和弹塑性等寿命模拟试件设计方法的研究。首先,基于平均应力/平均应变对疲劳寿命影响的分析,注意到材料和载荷水平均对平均应力效应有不可忽视的影响,从而提出了可以有效考虑这两种因素的修正Walker应力寿命模型和新应变寿命模型;其中修正Walker应力寿命模型成功地预测了5种航空发动机常用材料的9组光滑试棒的疲劳寿命,其误差的均值和标准差均为所有对比模型中最小;新应变寿命模型对两种材料光滑试棒的寿命预估结果均在2倍分散带内,对GH4133材料的光滑试棒和中心孔试件的最大预估误差为-3.67%;两种寿命模型均展示了很好的考虑平均应力效应的疲劳寿命预估能力,同时通过对这两种模型的进一步分析发现,载荷越小、应力比越大,平均应力效应越明显。其次,通过研究循环应力应变曲线的非线性响应与疲劳寿命之间的内在关系,提出以首次加、卸载过程中循环应力应变曲线偏离弹性线的面积为塑性应变能损伤参量,并将其发展为等效塑性应变能损伤参量以考虑平均应力效应的影响,从能量的角度建立了适用于小缺口件中短寿命预估的塑性应变能寿命模型;随后拓延提出其概率寿命预估模型以考虑材料、载荷、尺寸等随机因素,尤其是循环应力应变曲线分散性对疲劳寿命的影响;先采用塑性应变能寿命模型对8组光滑试棒和2组涡轮盘模拟试件进行了疲劳寿命分析,结果显示对光滑试棒塑性应变能寿命模型与修正Walker应力寿命模型的预估结果难分伯仲,但塑性应变能寿命模型对模拟试件的预估误差仅有3.0%左右,明显优于其他模型;采用塑性应变能概率寿命模型对上述2组涡轮盘模拟试件进行可靠性分析,数值模拟结果与试验寿命的分布趋势一致,给定可靠度下预估概率寿命最大误差在-26.0%以内,精度较高;此外,通过灵敏度分析发现,循环应力应变曲线分散性尤其是塑性分量的分散性对疲劳寿命分散性影响很大,不可忽视。再次,通过对疲劳缺口效应和尺寸效应的研究,发现缺口效应本质上也属于广义尺寸效应,而Weibull串联系统理论则可以较好地解释广义尺寸效应;分析对比了三参数Weibull分布与对数正态分布各自特点,发现Weibull分布能更好地描述疲劳寿命的分布,从而在相同材料不同应力水平下疲劳寿命分布相似的假设下建立了可以描述任意应力水平下疲劳寿命分布特性的三参数Weibull统一分布模型;基于“等概率寿命,等损伤”的基本思想,提出了将缺口附近任意应力、应力比下的小单元在损伤相等的意义下转化为目标应力、目标应力比下的等效体积的方法,并在其基础上建立了可以同时考虑平均应力效应、缺口效应和尺寸效应的等效体积概率寿命分析方法;该方法对10组FGH96材料缺口棒试件的中位寿命预估结果基本都在2倍分散带内,对160件不同缺口类型、不同温度、不同厚度和不同载荷水平下的涡轮盘模拟试件的概率寿命预估误差的均值和标准差均为所有对比模型中最小,具有较强的概率寿命预估能力和较好的稳定性。然后,分析了涡轮盘常见失效形式和静强设计准则,在等效体积概率寿命分析方法的基础上,提出并建立了基于ANSYS-MATLAB双平台的双辐板涡轮盘强度及寿命可靠性自动优化设计方法和平台,并通过修正三参数Weibull统一分布模型近似等效地考虑了应力疲劳试验数据、循环应力应变曲线、载荷及尺寸等随机因素对疲劳寿命分散性的综合影响,对某双辐板涡轮盘进行了寿命可靠性高效自动优化设计,结果显示双辐板涡轮盘5个危险部位中有3个部位接近概率寿命设计下限,其余2个部位也距设计下限较近,从而基本实现了双辐板涡轮盘的等概率寿命设计,并在单辐板盘设计准则的基础上给出了适用于双辐板涡轮盘优化设计的应力安全系数建议值。最后,提出了以最危险点Von-Mises等效应力、最大等效应力梯度和危险等效体积为相似条件的弹塑性等寿命模拟试件设计准则,并提出采用峰值载荷不变、以调整载荷比补偿的形式使模拟试件与辐板内腔之间危险体积相等的方法,对寿命可靠性优化后的双辐板涡轮盘辐板内腔考核部位进行了模拟试件设计,最终设计所得模拟试件与辐板内腔在P_s=500.%和P_s=99.87%时的概率寿命均基本相同,保证了两者的寿命相似性。
【学位单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V231.9
【部分图文】：

图 1-1 单辐板涡轮盘（左）与双辐板涡轮盘（右）结构对比因此，开展基于高温合金材料的双辐板涡轮盘的寿命可靠性及优化研究，一方展国内关于考虑平均应力效应、缺口效应和尺寸效应影响的高温合金概率寿命，进一步揭示平均应力、应力梯度及危险体积等应力场因素以及材料、载荷、机因素对疲劳寿命影响的规律，提高对于涡轮盘等大型复杂构件的概率寿命预其次，可以研究双辐板涡轮盘的结构特征和应力分布，对各危险部位进行分析度和疲劳的薄弱环节，为后续双辐板涡轮盘的设计、改进及优化等提供理论依支撑；更为关键的是，在可靠、有效的概率寿命分析方法的基础上，可以实现可靠性优化的双辐板涡轮盘等寿命设计，为目前尚处于理论研究阶段的双辐板计提供重要的技术拓展；此外，在对疲劳寿命影响因素分析的基础上，可根据的原则对双辐板涡轮盘危险部位进行“弹塑性等寿命”模拟试件设计，在较小以多子样的模拟试件试验数据弥补双辐板涡轮盘试验数据的不足，从而可为双盘的进一步研究提供珍贵的试验数据支持。双辐板涡轮盘技术是高性能航空发动机的关键技术之一。安全、高效、可靠的轮盘无疑会有效提高航空发动机的性能，减轻其重量，增加其可靠性，对于增

工程中的疲劳试验多数在对称循环条件下进行，然而实际应用中大部分构件均工作在非对称载荷状态，因此大部分构件的危险部位都会存在平均应力/应变的影响。工程中常见的典型载荷状态如图2-1所示。图2-1(a)所示为对称循环载荷，此时平均应力mσ = 0，a maxσ = σ；图 2-1(b)表示的是最小应力minσ > 0的非对称循环载荷，此时mσ > 0；图 2-1(c)表示的是脉动循环载荷，最小应力minσ = 0且m a maxσ= σ= σ2。应力幅值aσ 、平均应力mσ 和峰值应力maxσ 的关系可由式（2-1）表示。可以看出，在相同的应力幅值下，平均应力越大，则结构最危险点的峰值应力越大，从而疲劳寿命越短；反之，在相同的峰值应力下，平均应力越大，则应力幅值越小，从而疲劳寿命越长；在极限情况下，当平均应力等于峰值应力时

图 2-2 GH4169 材料在不同应力比下的疲劳试验数据平均应力效应的应力寿命模型应力对于疲劳强度和疲劳寿命均有明显的影响，因此在对疲时有必要考虑平均应力效应。工程中所用于疲劳强度和疲18

本文编号：2874712