典型盘用材料缺口拉伸强度预测方法研究与应用

摘要

破裂转速分析是现代航空发动机轮盘强度设计的重要内容之一。随着发动机整体性能水平的不断提升，先进高强度合金材料在轮盘中大量应用，传统破裂转速预测方法不能满足先进材料轮盘设计分析的需要。采用缺口试件拉伸试验对高强度轮盘材料的拉伸变形和失效行为进行研究能够有效反映轮盘中多轴应力状态对轮盘材料变形与失效行为的影响，在此基础上建立和验证缺口拉伸强度预测方法，对进一步发展和验证更为可靠的轮盘破裂转速预测方法具有重要的现实意义和工程价值。
　　本文选取涡轮盘常用材料GH4169合金作为主要研究对象，对其缺口拉伸失效行为、极限强度预测方法进行了试验和理论分析研究，并推广应用于轮盘破裂转速分析。主要工作和结论如下：
　　（1）开展了GH4169缺口圆棒和平板试样的拉伸试验，分析了缺口几何参数、应力集中、应力三轴度等对GH4169缺口拉伸强度和有效断裂应变的影响。结果表明：缺口根部半径、应力集中系数对缺口圆棒试样拉伸强度的影响较为显著，对缺口平板试样拉伸强度的影响较小。缺口平板试样的局部最大有效断裂应变与应力集中系数近似线性相关，所有缺口试样的极限拉伸强度与缺口根部截面上的平均应力三轴度近似线性相关。
　　（2）对拉伸至不同程度的未断GH4169缺口试样进行了剖分和显微观测。结果表明：缺口较尖锐时，在极限载荷出现之前，缺口根部产生由试样表面向内部扩展的裂纹。缺口较钝时，在极限载荷出现之前，缺口试样内部没有发现裂纹存在。
　　（3）基于单向拉伸试验数据建立了GH4169和GH742的非线性各向同性硬化弹塑性本构模型，采用Hosford屈服准则表达式研究了当其分别退化为von Mises屈服准则和Tresca屈服准则时，大变形有限元法对GH4169缺口拉伸强度和GH742等厚圆盘破裂转速预测的准确性。结果表明本文采用的非线性各向同性硬化模型能够很好地描述GH4169和GH742合金的拉伸真应力-真应变曲线。与采用von Mises屈服准则的计算结果相比，采用Tresca屈服准则能够更准确地的预测 GH4169缺口试样的拉伸响应曲线和极限拉伸强度，极限拉伸强度预测误差在3％以内；采用Tresca准则对GH742等厚圆盘破裂转速的预测结果更接近试验结果，预测误差在5%以内。
　　（4）采用Tresca屈服准则和大变形有限元分析方法初步研究了关键几何特征尺寸对GH4169亚尺寸模拟盘破裂转速预测结果的影响。结果表明：轮盘中心孔半径、厚度和模拟榫槽开缝宽度对GH4169模拟盘的破裂转速有较大影响，模拟榫槽底部半径和辐板过渡半径对破裂转速的影响相对较小。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2 航空发动机轮盘破裂转速国内外研究现状

1.3 缺口件拉伸强度国内外研究现状

1.4 本文的主要研究工作

第二章 GH4149缺口拉伸失效行为试验研究

2.1 引言

2.2 GH4169室温拉伸试验方案

2.3 GH4169拉伸试验结果与分析

2.4缺口几何对缺口拉伸强度的影响分析

2.5 GH4169缺口拉伸失效过程分析

2.6 小结

第三章 GH4169缺口拉伸强度预测分析

3.1 引言

3.2 缺口拉伸强度预测的大变形有限元分析方法

3.2 GH4169合金的非线性各向同性硬化弹塑性本构模型

3.3 GH4169缺口拉伸失效过程的有限元分析

3.4 小结

第四章 轮盘破裂转速预测分析

4.1 引言

4.2 GH742等厚圆盘破裂转速预测与分析

4.3关键部位几何参数对某轮盘模拟件破裂转速的影响分析

4.4 小结

第五章 全文总结与展望

5.1 全文主要工作和总结

5.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文