航空发动机低压涡轮轴疲劳寿命计算分析

摘要

作为飞机的动力源,航空发动机可靠寿命直接影响飞机整机寿命,而航空发动机的寿命很大程度上取决于其主要零部件的寿命。我国在航空发动机主要零部件疲劳寿命计算分析研究方面起步较晚,目前还没有形成规范的疲劳寿命计算分析流程和标准。其中,低压涡轮轴作为航空发动机的断裂关键件,其可靠寿命的研究对于航空发动机的整机疲劳寿命计算分析以及航空发动机的可靠性研究具有重要意义。
　　低压涡轮轴的失效模式主要有疲劳、磨损、变形、韧性和脆性断裂,其中疲劳失效是最主要的失效模式。低压涡轮轴在运行过程中承受着复合载荷,主要载荷有工作扭矩、轴向力、弯矩和振动扭矩,其中工作扭矩和轴向力产生低循环疲劳损伤,而弯矩和振动扭矩造成高循环疲劳损伤。
　　结合某航空发动机整机疲劳寿命计算分析课题研究,为了积累航空发动机主要零部件疲劳寿命计算分析的经验和数据,促进我国航空发动机主要零部件疲劳寿命计算分析的标准形成,本文以某航空发动机低压涡轮轴为研究对象,对其开展疲劳寿命计算分析方法研究。本论文主要研究工作包括:
　　(1)通过对低压涡轮轴结构分析,将使用载荷谱转化为疲劳寿命计算分析研究中需要的计算载荷谱。模拟低压涡轮轴在实际工作环境下的载荷条件和边界约束,利用有限元分析方法对其进行受力分析和应力应变计算,得到其危险部位和对应的等效应力应变。在此基础上,求出危险部位处最小截面的平均等效应力值,计算出涡轮轴的理论应力集中系数。
　　(2)对低压涡轮轴在高、低循环载荷单独作用的情形,分别采用名义应力法和局部应力应变法对其进行疲劳损伤预测评估,计算出涡轮轴在不同循环载荷作用下的疲劳损伤。最后利用 Miner线性累积损伤法则得到涡轮轴在复合载荷下的累积损伤并计算出其安全循环寿命。
　　(3)考虑疲劳试验验证的重要性和疲劳寿命计算分析研究的需要,对低压涡轮轴疲劳试验载荷进行了计算分析。在涡轮轴的标准循环载荷基础上,通过计算多项载荷修正系数,采用载荷散度系数法计算出了疲劳试验载荷。通过对高、低循环载荷试验频率的确定,制订了用于疲劳试验的复合载荷谱。并对低压涡轮轴疲劳试验数据处理方法进行了研究分析。

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第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 相关领域的研究现状

1.3 研究思路与内容框架

第二章 低压涡轮轴应力应变分析

2.1 低压涡轮轴疲劳失效模式分析

2.2 低压涡轮轴的应力应变分析原理

2.3 分析模型与材料数据

2.4 计算载荷与边界条件

2.5 有限元应力应变分析

2.6 应力集中系数的确定

2.7 本章小结

第三章 低压涡轮轴疲劳寿命计算分析

3.1 疲劳累积损伤法则

3.2 低压涡轮轴高循环疲劳损伤

3.3低压涡轮轴低循环疲劳损伤

3.4 低压涡轮轴疲劳寿命计算分析

3.5 本章小结

第四章 低压涡轮轴疲劳试验载荷分析

4.1 标准循环与工作载荷

4.2 低压涡轮轴的标准循环载荷

4.3 低压涡轮轴的试验循环载荷

4.4 低压涡轮轴疲劳试验载荷谱

4.5 低压涡轮轴疲劳试验数据处理方法

4.6 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果