基于叶根局部平均应力松弛的汽轮机叶片低周疲劳寿命预测研究

摘要

叶片作为汽轮机核心部件之一，在服役过程中其叶根部位通常承受较大的脉动交变载荷作用，易发生低周疲劳破坏。由于塑性屈服，叶根缺口会出现平均应力循环松弛，因此，给叶片的抗疲劳设计与寿命预测带来了新的挑战。本文主要结合某新型叶片的抗疲劳设计需求，开展了叶根材料与叶根模拟件的低周疲劳试验。针对叶根缺口真实力学响应，采用局部应力应变法研究建立了一种可考虑叶根缺口平均应力松弛行为的叶片低周疲劳寿命预测新方法。为该型叶片的抗疲劳设计和服役安全性评估提供更为精确的定寿方法。因此，具有重要的理论和工程实际意义。 本文首先开展了应变比R=0条件下叶根材料（0CrXXX）光滑试样的低周疲劳试验，获得了该材料的循环硬化/软化特征与低周疲劳特性。结果表明：当作用应变幅较大时，叶根材料先硬化，随后持续软化；而当应变幅较小时，材料先硬化，之后缓慢软化，最后趋于循环稳定。结合叶根材料的循环应力响应，本文进一步研究了不同应变幅下材料的平均应力松弛行为。结果表明：在非对称疲劳载荷作用下，叶根材料出现显著的平均应力松弛，且随应变幅增大松弛速率迅速增加。基于Landgraf应力松弛模型，本文获得了疲劳过程中叶根材料的平均应力松弛描述模型。 为了确定叶根缺口处的局部应变响应，本文分别采用应变电测法、弹塑性有限元法和近似计算公式，对叶根缺口部位的变形情况进行了研究。结果表明：叶根的三个缺口均存在应力集中。其中，颈截面最宽的缺口为整个叶根构件的最危险部位，需要重点关注。通过将叶根缺口应变近似计算结果与应变测试值及弹塑性有限元计算结果进行比较，进一步证明了采用“统一法”近似公式可获得与应变测试及弹塑性有限元基本一致的局部应变值。因此，该近似公式可应用于叶根缺口的局部应力应变计算。 本文针对某型叶片叶根模拟件，进一步开展了脉动载荷下的低周疲劳试验，获得了叶根构件的低周疲劳特性与裂纹萌生寿命。结果表明：叶根疲劳裂纹最先在颈截面最宽的缺口位置产生，而裂纹萌生寿命约占叶根总寿命的78%-93%；在双对数坐标下叶根疲劳寿命与作用载荷之间呈良好的线性关系，可采用Basquin方程对其进行定量描述。 基于叶根材料的低周疲劳力学行为与叶根缺口真实变形响应，本文采用局部应变法研究建立了一种考虑叶根缺口平均应力松弛行为的低周疲劳寿命预测新方法。并结合叶根模拟件的低周疲劳试验结果，验证了上述方法的预测精度。结果表明：本文建立的叶根疲劳寿命预测方法的预测结果与试验值之比在2倍分散带以内。相较于未考虑平均应力松弛的叶根寿命预测结果，预测精度有了明显提高。因此，本文建立的叶根疲劳寿命预测方法可推荐应用于汽轮机叶片的抗疲劳设计与疲劳寿命预测研究。

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