涡轮转子接触应力分析及应力强度因子计算

摘要

本文应用有限元软件ANSYS，对航空发动机涡轮盘的接触应力、结构参数优化、裂纹应力强度因子及其剩余寿命进行了计算，具体的内容如下： 1．建立了涡轮转子的有限元模型，对涡轮盘和涡轮叶片进行了接触力学分析，发现：接触应力随着侧腹的增大而增大，在靠近侧腹末端的地方出现最大的接触应力。 2．进行了结构优化，发现：1)随着侧角的增大，侧腹上的接触应力会慢慢的增大。2)随着摩擦系数的增大，侧腹上的接触应力会慢慢减小。3)摩擦系数达到0.25以上时，接触应力基本不发生变化。 3．建立了计算复合裂纹应力强度因子的理论。计算时发现： 1)Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子的有限元计算结果和解析解很接近，吻合很好；2)裂纹较大和裂纹较小时误差相对较大，这是因为在划分网格时产生的精度问题。 4．扩展了有限元软件ANSYS计算断裂参量应力强度因子的功能，具体计算了单边斜裂纹、中心裂纹、中心斜裂纹、孔边裂纹的应力强度因子。结果如下： 单边斜裂：1)应力强度因子Ⅰ型分量随角度的增加而增加，Ⅱ型分量随裂纹的角度先增大后减小；2)应力强度因子Ⅰ型分量和Ⅱ型分量均随裂纹长度的增加而增加；3)矩形板长宽的影响主要在板长比较小时，当长宽比达到一定的值时，这种影响基本可以忽略。 中心裂纹：1)当长宽比增大时，应力强度因子的变化随长宽比的变化越来越小，达到1.5左右时，这种变化可以忽略。 中心斜裂纹：1)应力强度因子Ⅰ型分量随角度的增加而增加，Ⅱ型分量随裂纹的角度先增大后减小；2)应力强度因子Ⅰ型分量和Ⅱ型分量均随裂纹长度的增加而增加； 孔边裂纹：1)圆孔越大，应力强度因子就越大；2)无圆孔时，裂纹变成了中心裂纹，此时的应力强度因子最小；3)当圆孔很小时，应力强度因子的大小几乎与裂纹的长度加上圆孔的半径的一样。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题来源

1.2国内外研究现状

1.3本文主要研究内容

第二章有限单元法及ANSYS介绍

2.1概述

2.2有限单元法的计算思路

2.3大型有限元分析软件ANSYS

2.3.1 ANSYS用户界面

2.3.2 ANSYS的基本组成

2.3.3 ANSYS的基本使用方法

第三章断裂力学有关知识

3.1断裂力学概述

3.2断裂力学中的断裂参量

3.2.1 Ⅰ型Griffith裂纹的渐近应力场和位移场

3.2.2 Ⅱ型Griffith裂纹的渐近应力场和位移场

3.2.3 Ⅲ型Griffith裂纹的渐近应力场和位移场

3.2.4按照应力强度因子理论建立的断裂判据

3.2.5复合裂纹的工程判据

3.3三维裂纹的应力强度因子

第四章涡轮转子的接触应力分析

4.1涡轮转子结构及其模型建立

4.2载荷、边界条件及材料属性

4.3各关键因素的概述

4.3.1接触算法

4.3.2接触刚度

4.4计算结果

4.4.1二维应力场分布

4.4.2二维模型和三维模型的比较

4.4.3二维模型结构优化

4.4.4提出改进措施

第五章复合裂纹的应力强度因子计算

5.1复合裂纹理论

5.2应力强度因子计算方法

5.3复合裂纹应力强度因子分量的有限元计算

5.3.1断裂模型及网格

5.3.2 Ⅰ型应力强度因子

5.3.3 Ⅱ型应力强度因子

第六章裂纹扩展及裂纹剩余寿命计算

6.1裂纹的形成和扩展

6.2中心裂纹

6.2.1断裂模型

6.2.2中心裂纹应力云图

6.2.3中心裂纹应力强度因子随矩形板长度的变化

6.3中心斜裂纹

6.3.1断裂模型

6.3.2中心斜裂纹的应力云图

6.3.3应力强度因子随裂纹尺寸的变化

6.3.4应力强度因子随裂纹角度的变化

6.4单边斜裂纹

6.4.1断裂模型尺寸

6.4.2单边斜裂纹的应力云图

6.4.3应力强度因子随裂纹尺寸的变化

6.4.4应力强度因子随裂纹角度的变化

6.4.5应力强度因子随构件尺寸的变化

6.5孔边裂纹

6.5.1断裂模型

6.5.2孔边斜裂纹的应力云图

6.5.3孔边裂纹应力强度因子随矩形板长度的变化

6.5.4应力强度因子随裂纹尺寸的变化

6.6裂纹剩余寿命计算

第七章总结与展望

7.1总结

7.2展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的主要研究成果