某型航空发动机风扇轴疲劳寿命预测及可靠性分析

摘要

作为航空发动机转子系统中的重要零件,风扇轴在传递功率、扭矩和支承其它零部件等方面起着非常重要的作用。在航空发动机高速运转的过程中,风扇轴面临着非常复杂的交变载荷条件,如扭矩、轴向力、振动扭矩、弯矩等,极易因为疲劳破坏而导致失效,从而使航空发动机的可靠性和安全性降低。因此,为了保证航空发动机能够安全可靠地运行,以航空发动机的风扇轴材料特点和失效特点为基础,积极进行风扇轴的疲劳寿命预测和可靠性研究,具有非常重要的现实意义和工程价值。本文以某型航空发动机风扇轴为研究对象,在有限元应力应变分析的基础上,基于多轴疲劳寿命预测方法中的临界平面方法和基于应变的方法,开展疲劳寿命预测研究。最后,采用Monte Carlo方法对风扇轴的疲劳寿命可靠性进行研究。
　　论文的主要工作内容及贡献如下:
　　(1)基于三维建模软件和有限元分析软件建立了某型航空发动机风扇轴的三维几何模型和有限元分析模型。
　　根据某型航空发动机风扇轴的几何尺寸,在Siemens NX8.0三维软件中建立了风扇轴的三维几何模型。然后通过该三维建模软件与ANSYS Workbench软件的无缝连接,在Workbench中根据模型简化原则对其进行结构简化,建立了风扇轴三维有限元分析模型。
　　(2)在多载荷共同作用条件下,分别进行了风扇轴线弹性和弹塑性有限元分析,获得了风扇轴的应力应变分布情况和疲劳破坏危险部位。
　　在同时考虑离心力、扭矩、轴向力、振动力矩和弯矩等载荷条件下,对风扇轴进行了线弹性有限元分析。根据风扇轴已进入塑性状态的结果,得知线弹性有限元分析模型在反映风扇轴的真实状态上的局限性。因此结合风扇轴材料的应力应变特性,进行了风扇轴的弹塑性有限元分析,通过风扇轴的应力应变分布和结构的整体变形情况,判断出风扇轴存在两个疲劳破坏危险部位,即花键根部和靠近花键端的最大台阶处。
　　(3)基于有限元分析结果,从多轴疲劳角度评估了风扇轴的寿命。
　　在有限元应力应变分析基础上,从多轴疲劳角度,分别采用基于临界平面的多轴方法(Wang-Brown方法、Fatemi-Socie方法、SWT-Bannantine方法)和基于应变的多轴疲劳寿命预测方法(基于最大剪应变屈服理论的方法、基于Mises屈服准则的方法、基于最大主应变幅的方法),进行风扇轴疲劳寿命计算评估。结果显示不同的寿命预测模型下预测效果的差异性,并揭示出基于最大主应变幅的模寿命型预测值与试验值最贴近。
　　(4)运用Monte Carlo方法对风扇轴进行了可靠性分析,获得了风扇轴的疲劳寿命分布类型和疲劳寿命可靠度函数。
　　结合基于最大主应变幅的模寿命型及其材料参数分布情况,运用Monte Carlo方法对风扇轴进行计算机模拟试验,得知指数分布函数能够很好地吻合风扇轴的疲劳寿命分布情况,并由此获得了风扇轴疲劳寿命概率分布函数与疲劳可靠寿命函数。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究工作

第二章 风扇轴疲劳寿命预测方法

2.1 引言

2.2 航空发动机风扇轴失效特点分析

2.3 疲劳累积损伤理论

2.4 基于应力-寿命曲线的方法

2.5 基于应变-寿命曲线的方法

2.6 小结

第三章 风扇轴有限元应力应变分析

3.1 引言

3.2 空间问题的有限元分析

3.3 风扇轴线弹性有限元分析

3.4 风扇轴弹塑性有限元分析

3.5 小结

第四章 基于有限元分析的风扇轴多轴疲劳寿命预测

4.1 引言

4.2 多轴疲劳

4.3 基于临界平面法的疲劳寿命预测

4.4 基于应变寿命模型的疲劳寿命预测

4.5 疲劳寿命预测误差计算

4.6 小结

第五章 风扇轴疲劳寿命可靠性分析

5.1 引言

5.2 Monte Carlo仿真试验

5.3 风扇轴的疲劳寿命分布确定

5.4 疲劳寿命可靠性分析

5.5 小结

第六章 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果