航空发动机叶片疲劳寿命和可靠性研究

摘要

叶片是航空发动机的主要组成部分，是发动机的关键转动部件之一，担负着能量转化的重任。常见的导致叶片失效的因素有低循环疲劳、振动、屈曲、蠕变等。随着现代航空发动机推重比的不断提高，叶片的设计应力水平大幅提高，低循环疲劳失效逐渐成为叶片最主要的失效形式之一，多发生在叶片根部两侧气流进出口处等应力集中较严重的部位。
　　 本文通过理论分析与试验研究相结合的研究方法，就叶片疲劳可靠性的分析方法与可靠性模型的建立进行了研究，主要内容如下：
　　 1.对目前工程中广泛应用的疲劳寿命估算方法和可靠性分析方法进行了系统评述，从中找到了适用于本研究中航空发动机压气机叶片疲劳寿命和可靠性研究的方法。
　　 2.根据国家标准对叶片材料钛合金TC4的疲劳试验进行了设计，通过材料疲劳试验获得了包括S-N曲线、σ-ε曲线在内的材料力学性能指标，为后续的疲劳寿命估算和疲劳可靠性分析打下基础。
　　 3.建立了叶片的有限元模型，并进行了特定工况下的模型瞬态分析。通过分析应力响应的结果确定了疲劳危险部位，同时得到了叶片的载荷历程，为疲劳寿命估算做准备。
　　 4.结合材料疲劳试验和有限元分析得到的结果，采用名义应力法和Miner线性损伤累积准则，联合疲劳分析软件对叶片进行全寿命分析，得到了叶片的疲劳损伤云图和寿命分布，以此找出了失效将会发生的部位，并与叶片实际失效情况进行比较，结果十分吻合。
　　 5.利用应力一强度干涉模型对叶片的可靠性进行分析，给出叶片的可靠度。
　　 叶片是航空发动机中的安全关键件，它对整个装置的可靠性有决定性影响，因此研究航空发动机叶片的疲劳寿命和可靠性有着重要的研究意义和工程应用价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1论文选题背景及意义

1.2国内外研究状况

1.3本文主要研究内容

第二章 材料疲劳试验

2.1引言

2.2叶片材料TC4(Ti-6Al-4V)

2.3材料疲劳试验目的

2.4圆棒轴向拉伸试验

2.5圆棒旋转弯曲试验

2.6平板弯曲试验

2.7试验结果

2.8小结

第三章 疲劳寿命分析方法

3.1引言

3.2名义应力法

3.2.1细节应力分析

3.2.2 S-N曲线的建立

3.2.3等寿命曲线的选取

3.2.4寿命估算

3.3局部应力应变分析法

3.3.1局部应力应变分析法的出发点

3.3.2局部应力应变分析法的优缺点

3.3.3局部应力应变法与名义应力法的不同之处

3.3.4应变-寿命(ε-N)曲线

3.3.5雨流计数法

3.3.6疲劳寿命估算

3.4损伤容限分析法

3.4.1应力强度因子

3.4.2断裂韧度

3.4.3疲劳裂纹扩展速率

3.4.4剩余寿命估算

3.5小结

第四章 叶片疲劳寿命分析

4.1引言

4.2叶片有限元模型

4.3疲劳累积损伤理论

4.3.1损伤累积概述

4.3.2线性累积损伤理论

4.3.3双线性累积损伤理论

4.3.4非线性累积损伤理论

4.4 叶片疲劳载荷谱处理

4.4.1疲劳载荷谱

4.4.2雨流计数法

4.4.3叶片离心拉应力分析

4.4.4叶片气动负荷分析

4.4.5载荷-时间历程

4.5疲劳寿命计算

4.5.1有限元模型的前处理

4.5.2叶片动态应力

4.5.3叶片位移响应

4.5.4通过雨流计数法获得叶片载荷谱

4.5.6利用Miner线性累积损伤估算叶片寿命

4.6小结

第五章 疲劳可靠性分析方法

5.1引言

5.2 P-S-N曲线

5.2.1 S-N曲线

5.2.2 P-S-N曲线

5.3剩余强度模型

5.3.1剩余强度

5.3.2剩余强度模型

5.4疲劳累积损伤模型

5.5疲劳寿命模型

5.6应力—强度干涉模型

5.7小结

第六章 基于应力—强度干涉模型的叶片可靠性分析

6.1引言

6.2应力—强度分布的干涉模型

6.2.1可靠性计算中的假设

6.2.2应力—强度干涉模型

6.3 叶片可靠性计算

6.3.1应力、强度的概率密度函数

6.3.3联结方程

6.3.4叶片可靠度

6.4本章小结

第七章 全文总结

7.1总结

7.2展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢