某涡扇发动机涡轮叶片寿命计算分析

发布时间：2017-04-28 21:19

  本文关键词：某涡扇发动机涡轮叶片寿命计算分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：涡轮叶片承担着能量转化的责任,是航空发动机最主要的关键零部件之一。在发动机工作时,涡轮叶片除了承受机械载荷之外,还要承受复杂的温度载荷和气动载荷。作为典型的热端构件,涡轮叶片失效造成的后果往往是灾难性的,因此被列为发动机断裂关键件之一。从叶片故障产生的原因分析,叶片的主要失效模式有疲劳失效和高温蠕变。随着航空发动机推重比以及性能的不断提高,涡轮叶片承受的机械载荷、气动载荷和温度载荷越来越高,也需要越来越高的工作可靠性。为确保发动机的可靠性和稳定性,非常有必要对其寿命进行预测。本文从某涡扇航空发动机定寿项目出发,对其高压涡轮叶片的弹塑性进行有限元分析,在此基础之上对其寿命预测进行研究。全文主要分为四个部分:第一部分,涡轮叶片三维弹塑性应力应变分析。采用应力应变分析方法中的弹塑性有限元方法,在ANSYS Workbench中建立高压涡轮叶片的三维有限元模型,对涡轮叶片进行热弹塑性应力应变分析,根据有限元仿真结果确定涡轮叶片的断裂危险部位以及危险点,据此得出涡轮叶片各个危险部位应力应变的分布情况,并校核叶片的静强度。第二部分,涡轮叶片的疲劳寿命预测及其损伤分析。简要介绍安全寿命预测的三种方法,根据上述应力应变分析结果及其材料的疲劳性能,以及现今疲劳寿命的几种研究方法,采用局部应力应变法,应用Manson-Coffin总应变模型,对该发动机涡轮叶片进行疲劳损伤以及寿命计算。第三部分,涡轮叶片的蠕变/持久断裂寿命预测及其损伤分析。根据蠕变/持久断裂寿命研究现状,以及对涡轮转子叶片的载荷数据分析,采用蠕变持久断裂寿命预测方法中的蠕变持久方程预估高压涡轮叶片的高温蠕变寿命及其损伤。第四部分,涡轮叶片疲劳/蠕变寿命分析。根据疲劳损伤分析结果以及高温蠕变损伤分析结果,利用线性累积损伤理论预估发动机涡轮叶片工作的总损伤。根据某涡扇航空发动机的载荷分析,对涡轮叶片进行应力应变分析和寿命预估,得出的结果和研究方法为提高涡轮叶片的可靠性和预估其工作寿命提供一定的参考。
【关键词】：航空发动机 弹塑性有限元分析 涡轮叶片 疲劳寿命 蠕变持久寿命
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：V235.13
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-18
• 1.1 引言11-12
• 1.2 航空发动机涡轮叶片疲劳寿命的研究现状12-14
• 1.3 航空发动机涡轮叶片蠕变持久寿命的研究现状14-15
• 1.4 本文的主要内容15-18
• 第二章 涡轮叶片三维弹塑性应力应变分析18-48
• 2.1 引言18
• 2.2 应力应变分析方法18-21
• 2.2.1 近似计算方法18-20
• 2.2.2 有限元方法20-21
• 2.2.3 近似计算方法和有限元方法的比较21
• 2.3 涡轮叶片弹塑性有限元分析原理21-25
• 2.3.1 弹塑性有限元分析的基本原理22-25
• 2.3.1.1 屈服条件22-23
• 2.3.1.2 强化条件23-24
• 2.3.1.3 塑性应力应变关系24-25
• 2.4 涡轮叶片有限元模型25-31
• 2.4.1 涡轮叶片的几何结构25
• 2.4.2 涡轮叶片的三维有限元应力应变分析原理25-30
• 2.4.2.1 几何方程25-26
• 2.4.2.2 正交各向异性的本构关系26-28
• 2.4.2.3 单元位移函数及应变、应力矩阵28-29
• 2.4.2.4 单元刚度矩阵及其单元等效节点载荷29-30
• 2.4.3 涡轮叶片几何实体模型30
• 2.4.4 涡轮叶片有限元模型30-31
• 2.5 涡轮叶片材料参数31-32
• 2.6 涡轮叶片计算载荷及边界条件32-40
• 2.6.1 温度载荷32-35
• 2.6.1.1 温度场的仿真32-34
• 2.6.1.2 温度载荷的加载34-35
• 2.6.2 气动载荷35-39
• 2.6.2.1 气动载荷的加载35-38
• 2.6.2.2 气动载荷的仿真38-39
• 2.6.3 离心载荷39
• 2.6.4 边界条件39-40
• 2.7 涡轮叶片弹塑性计算结果及分析40-43
• 2.8 涡轮叶片与涡轮盘榫槽接触分析43-46
• 2.8.1 榫头与榫槽接触分析有限元模型43-44
• 2.8.2 材料参数44-45
• 2.8.3 接触分析计算载荷和边界条件45-46
• 2.8.4 接触分析计算结果及分析46
• 2.9 本章小结46-48
• 第三章 涡轮叶片疲劳寿命预测及其损伤计算分析48-61
• 3.1 引言48
• 3.2 疲劳安全寿命预测方法48-55
• 3.2.1 名义应力法48-50
• 3.2.1.1 名义应力法的基本步骤48-49
• 3.2.1.2 应力—寿命曲线49-50
• 3.2.2 局部应力应变法50-52
• 3.2.2.1 局部应力应变法的基本步骤50-51
• 3.2.2.2 应变—寿命曲线51-52
• 3.2.3 场强法52-54
• 3.2.4 线性累积损伤理论54-55
• 3.3 涡轮叶片疲劳寿命预测及其损伤分析55-60
• 3.3.1 Manson-Coffin公式Morrow修正模型55-56
• 3.3.2 求解计算疲劳寿命56
• 3.3.3 涡轮叶片的应变循环谱56-58
• 3.3.4 涡轮叶片的疲劳寿命预测58-59
• 3.3.5 涡轮叶片的疲劳损伤分析59-60
• 3.4 本章小结60-61
• 第四章 涡轮叶片蠕变/持久断裂寿命预测及其损伤计算分析61-70
• 4.1 引言61
• 4.2 蠕变/持久断裂寿命预测方法61-64
• 4.2.1 时间—温度参数法61-63
• 4.2.2 θ函数法63
• 4.2.3 修正θ函数法63-64
• 4.2.4 寿命—时间分数法64
• 4.3 涡轮叶片蠕变/持久断裂寿命预测及其损伤分析64-69
• 4.3.1 K403合金材料的蠕变试验数据64-66
• 4.3.2 涡轮叶片持久方程的选取66
• 4.3.3 涡轮叶片的蠕变/持久断裂寿命预测66-68
• 4.3.4 涡轮叶片的蠕变/持久损伤分析68-69
• 4.4 本章小结69-70
• 第五章 涡轮叶片疲劳/蠕变寿命预测计算分析70-78
• 5.1 引言70
• 5.2 疲劳/蠕变寿命预测方法70-74
• 5.2.1 线性累积损伤理论寿命法70-71
• 5.2.2 应变控制参量的疲劳/蠕变寿命预估方法71-72
• 5.2.2.1 应变范围划分法（SRP）71
• 5.2.2.2 应变能划分法（SEP）71-72
• 5.2.2.3 频率修正法（FM）72
• 5.2.2.4 频率分离法（FS）72
• 5.2.2.5 应变能疲劳修正法（SEFS）72
• 5.2.3 应力控制参量的疲劳/蠕变寿命预估方法72-73
• 5.2.4 损伤力学预测方法73
• 5.2.5 断裂力学预测方法73-74
• 5.3 涡轮叶片疲劳/蠕变寿命预测74-77
• 5.4 本章小结77-78
• 第六章 总结与展望78-80
• 6.1 总结78
• 6.2 后续工作展望78-80
• 致谢80-81
• 参考文献81-86
• 附录I86-91
• 附录II91-95
• 攻读硕士学位期间取得的成果95-96

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 孟春玲,吴斌,饶寿期;单晶叶片材料蠕变试验研究[J];北京航空航天大学学报;1998年01期

2 舒陶;任宏光;郭克平;;局部应力应变Neuber法与有限元求法的比较[J];弹箭与制导学报;2009年01期

3 赵爱红,饶寿期;涡轮叶片的循环蠕变分析[J];航空动力学报;1995年01期

4 李玉春,姚卫星,温卫东;应力场强法在多轴疲劳寿命估算中的应用[J];机械强度;2002年02期

5 伍义生;一种计算疲劳寿命的新方法——Neuber局部应力-应变分析法[J];力学与实践;1982年02期

6 田爱梅,饶寿期,孟春玲;定向结晶气冷叶片的蠕变分析方法[J];燃气涡轮试验与研究;1998年02期

  本文关键词：某涡扇发动机涡轮叶片寿命计算分析，由笔耕文化传播整理发布。

，

本文编号：333592