压气机盘疲劳可靠性数字仿真分析

压气机盘疲劳可靠性数字仿真分析
钱文学, 尹晓伟, 何雪氵宏, 谢里阳
(东北大学机械工程与自动化学院, 辽宁沈阳　110004)

摘　要: 以多轴疲劳的临界平面法为基础,应用随机有限元法确定了压气机盘榫槽部位应力的分布参数,通过标准试样的应变控制低循环疲劳试验确定了材料参数的分布,采用数字仿真分析技术,得到了压气机盘寿命的分布形式和分布参数,建立了压气机盘疲劳可靠性模型。由仿真分析结果可知此方法是可行的,它可以有效降低压气机盘的试验费用,缩短试验周期,具有较高的精度。
关　键　词: 压气机盘;可靠度;临界平面法;多轴疲劳;数字仿真

现代航空技术的发展,要求航空发动机自身的质量越来越轻,而推力越来越大,这导致了航空发动机推重比不断提高,压气机盘的应力水平也随之不断提高,低循环疲劳失效已经成为航空发动机低压压气机盘最主要的失效形式。低循环疲劳失效多发生在压气机盘榫槽底部应力集中较严重的部位。传统的疲劳寿命评估都是基于单轴应力模型,然而有限元分析结果表明,压气机盘的榫槽底部应力状态十分复杂,呈多轴应力状态,应用单轴应力模型与压气机盘实际的应力状态有较大差异。应该综合考虑多轴应力对压气机盘寿命及可靠性的影响。压气机盘由于价格昂贵,对其进行部件的可靠性试验是不现实的,本文以随机有限元分析和标准试件的应变控制低循环疲劳试验为基础,通过计算机数字仿真的方法建立压气机盘的疲劳可靠性模型,以获得工程实用的压气
机盘疲劳可靠性评估方法。

1 　多轴疲劳寿命模型
处于工作状态的压气机盘榫槽受到很大的应力,榫槽底部的应力状态不是单轴的,而是呈现多轴的应力状态,当采用传统的名义应力寿命模型及应变寿命模型对轮盘进行寿命评估时,都是采用单轴的方法,显然单轴疲劳和多轴疲劳有着很大的不同,因此需综合考虑榫槽槽底的应力状态,这里采用临界平面法中的多轴疲劳模型SWT 模型进行寿命评估。裂纹的早期扩展被控制在与最大主应变范围及最大主应变范围平面上的最大主应力垂直的平面上,如图1 所示,即最大主应变范围平面为临界平面,其上的最大主应变范围Δε及最大主应变范围平面上的最大正应力σmax是影响疲劳寿命的重要参量。