考虑表面加工状态的FGH96盘LCF寿命及破裂转速分析方法研究

摘要

轮盘是航空发动机的主要承力件，低循环疲劳引起裂纹乃至破裂、总体强度不足引起破裂是轮盘的两大主要失效模式。工程中轮盘表面的微小机械损伤却是实实在在存在的，轮盘低循环疲劳裂纹和破裂均起源于表面机械损伤。表面微小机械损伤的程度不同，轮盘的低循环疲劳寿命和破裂转速会完全不同。为了准确地预测轮盘低循环疲劳寿命和破裂转速，有必要开展考虑表面加工状态的轮盘低循环疲劳寿命和破裂转速分析方法研究,并开展相关试验验证。主要研究内容如下： （1）第一部分考虑表面加工状态的轮盘低循环疲劳寿命分析方法研究。基于低循环疲劳断裂机理，研究了低循环疲劳断裂所需的能量表达式；基于一次加载断裂机理，研究了一次加载所需的能量表达式。建立了基于能量法并考虑表面加工状态的低循环疲劳寿命预测模型，用此模型对某FGH96轮盘的低循环疲劳寿命进行了分析。分析结果表明，考虑轮盘表面加工状态的低循环疲劳寿命较不考虑表面加工状态的预测值降低约30%。在旋转盘腔试验器上完成了该模拟盘高温低循环疲劳试验。通过断口分析，获得了该模拟盘的低循环疲劳寿命。试验结果与理论结果的对比分析表明，不考虑表面加工状态的影响，预测寿命分散度大，预测寿命偏危险。反之，预测寿命分散度小。 （2）第二部分，考虑表面加工状态的轮盘破裂转速分析方法研究。对轮盘常用的破裂转速理论计算方法及其适用范围进行了详细分析；论述了切口件裂纹起始准则及适用范围。采用这两种不同方法对某FGH96涡轮盘破裂转速进行了分析，分析结果表明，考虑表面加工状态的影响，该涡轮盘可能会首先发生径向破裂，且破裂转速较平均应力法分析结果偏小，而不考虑表面加工状态的影响，该涡轮盘首先发生的是周向破裂。在旋转盘腔试验器上完成了该FGH96涡轮盘超转破裂试验。通过断口分析，发现破裂均起源于FGH96粉末合金涡轮盘表面加工刀痕。试验结果与理论结果的对比分析结果表明，不考虑表面加工状态的常规方法预测结果偏危险，而与考虑表面加工状态缺口尺寸b/a=0.5时破裂转速吻合较好。 本文所建立的考虑表面加工状态的低循环疲劳寿命分析方法，基于断裂机理，从能量角度出发而建立的，所建立的方法能够很好地表达表面加工状态与低循环疲劳寿命之间的当量关系。针对有限的工程应用材料性能，使用方便，分析结果可信，工程适用性强。可为我国现阶段工程中考虑表面加工状态的低循环疲劳寿命分析提供一种方便可行的方法。考虑表面加工状态的破裂转速分析及试验结果，充分说明了工程常用的基于平均应力且不考虑表面加工状态的破裂转速预测结果偏危险，本文所采用的破裂转速分析方法为其他轮盘考虑表面加工状态的破裂转速分析提供一种借鉴。

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