某型涡扇航空发动机涡轮轴有限元及寿命分析

摘要

航空发动机作为飞机重要的动力装置，其工作状态的稳定性及可靠性直接影响到飞机的正常使用。其中，航空发动机主轴主要包括风扇轴、低压涡轮轴和高压涡轮轴等，承担着连接发动机周围零部件和传递循环工作载荷的作用。在工作状态下，涡轮轴长期处在高温环境中，并随飞行状态的变化不断承受高、低周疲劳载荷复合作用。涡轮轴传递载荷最大，工作环境较为恶劣，极易发生疲劳失效。因此，涡轮轴的疲劳寿命将直接影响航空发动机的正常使用，一旦发生疲劳失效将引起重大事故。为了提高发动机工作的安全性及使用寿命，给予发动机涡轮轴有关维修及更换提供指导意见，航空发动机涡轮轴的疲劳可靠性问题受到广泛关注和研究。本文结合国内外航空发动机主轴疲劳寿命研究现状，对某型涡扇航空发动机涡轮轴的疲劳寿命问题进行研究。本文研究内容主要包含以下几个部分：
　　首先，根据航空发动机涡轮轴的工作原理、结构及装配情况，确定涡轮轴的约束情况和外部高、低周疲劳载荷的类型及计算方法，如轴向力、扭矩和弯矩等。根据飞机飞行状态确定需要分析的工作任务剖面，并得到对应工作条件下的外部载荷值及载荷施加位置。结合ANSYSWorkbench有限元软件，建立并简化涡轮轴的有限元模型，然后确定恰当的材料输入模型及边界条件，模拟涡轮轴的实际工作状态，分别完成涡轮轴在低周疲劳载荷和高低周疲劳载荷复合下的有限元分析，计算分析得到涡轮轴危险部位及其应力应变分布情况。
　　其次，考虑到外部载荷对涡轮轴疲劳寿命的影响，结合国内外航空发动机主轴疲劳寿命预测方法研究现状，分别研究了基于局部应力应变法的高、低周疲劳寿命预测模型，基于临界面法的高、低周疲劳寿命预测模型，以及线性疲劳累积损伤原理。然后结合有限元分析结果，利用上述方法分别完成涡轮轴危险部位的高、低周疲劳寿命预测，并对预测计算结果进行了对比分析。
　　最后，为验证涡轮轴疲劳寿命预测结果的准确性，研究了涡轮轴疲劳寿命试验载荷的确定方法以及具体试验实施方案。根据疲劳试验条件和要求，对涡轮轴进行有限元分析，并计算涡轮轴危险部位的疲劳寿命，以此验证疲劳试验设计的准确性。

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第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 疲劳破坏简介

1.3 国内外疲劳寿命研究现状

1.4 本文主要研究内容

第二章 某型涡扇航空发动机涡轮轴的结构及载荷分析

2.1 引言

2.2 涡轮轴结构分析

2.3 涡轮轴载荷分析

第三章 某型涡扇航空发动机涡轮轴有限元分析

3.1 引言

3.2 有限元法的基本理论

3.3 涡轮轴有限元分析

第四章 某型涡扇航空发动机涡轮轴疲劳寿命分析

4.1 引言

4.2 基于局部应力应变法的疲劳寿命预测

4.3 基于临界面法的疲劳寿命预测

4.4 线性疲劳累积损伤模型

4.5 涡轮轴的疲劳寿命计算分析

第五章 涡轮轴疲劳试验设计及寿命预测

5.1 引言

5.2 涡轮轴疲劳寿命试验设计

5.3 涡轮轴在试验条件下的有限元分析及寿命计算

第六章 总结与展望

6.1 本文总结

6.2 后续研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果