燃气涡轮发动机关键部件疲劳小裂纹研究进展

疲劳小裂纹扩展作为疲劳开裂过程中的关键阶段之一,显著影响着材料和结构的疲劳断裂过程.因具有速率波动和扩展路径偏转等特点,小裂纹效应给材料和结构疲劳寿命预测结果带来了不确定性,从而影响燃气涡轮发动机等机械结构的服役安全.本文围绕燃气涡轮发动机关键部件材料的疲劳小裂纹扩展问题,首先总结了当前疲劳小裂纹的扩展规律及其对疲劳寿命的影响规律;其次,针对先进燃气涡轮发动机关键部件常用的多晶合金和单晶合金,揭示了疲劳小裂纹的萌生和扩展机理;再次,对疲劳小裂纹扩展模型进行了总结,且指出了各模型的优缺点;从次,重点针对先进燃气涡轮发动机热端部件的工作环境,综述了热腐蚀/氧化介质中的疲劳小裂纹扩展行为和模型;最后,对当前疲劳小裂纹相关研究进行了总结,且结合燃气涡轮发动机领域提出了未来的研究趋势与方向.本文以期为先进燃气涡轮发动机关键部件的设计、安全评估和寿命预测提供理论知识和科学方法.

热端部件低温热腐蚀疲劳损伤机理、寿命模型和抗腐蚀设计方法

对于沿海地区或海洋环境中使用的航空发动机来说,由于高温、机械载荷和盐雾环境的共同作用,热腐蚀疲劳破坏是影响其热端部件服役寿命的主要因素.本文对热端部件低温热腐蚀疲劳损伤机理、寿命模型和防腐蚀设计方法进行了总结、归纳及评述,提出了未来的研究趋势与发展方向.首先介绍航空发动机热端部件的热腐蚀疲劳故障案例、损伤演化机理;其次,重点分析了低温腐蚀疲劳寿命的唯象模型、损伤力学模型、断裂力学模型以及机器学习模型;再次,对几种代表性的考虑腐蚀演化不同阶段的分段式腐蚀疲劳全寿命模型进行综述,还分析指出了腐蚀疲劳全寿命模型的发展趋势;从次,对航空发动机材料选择、零件制造、结构强度设计和外场运行维护不同阶段的抗腐蚀方法进行了综述.最后,对增材制造零部件的热腐蚀疲劳问题以及无损检测技术、人工智能等与热腐蚀疲劳研究的结合进行了展望.

某微小涡喷发动机压气机减重设计研究

提高航空发动机的推重比,使发动机最大程度实现轻量化,对微小涡喷发动机压气机的减重设计具有重要意义。对某实心压气机开展有限元计算,得到应力、变形等重要强度考核数据,作为减重优化的设计约束空间。在此基础上,借助等强度结构高强度、高刚度特性,对离心压气机盘的实心部分进行减重优化设计。对比优化前后压气机的承受载荷能力。结果表明:在Mises等效应力小幅增加、叶尖径向位移不显著增加的条件下,压气机减重可达20.3%。

某涡扇发动机篦齿盘均压孔损伤容限分析方法

大修记录表明,某小涵道比涡扇发动机第9级篦齿盘发生多起均压孔疲劳裂纹萌生。为了估计该篦齿盘均压孔边失效风险,发展了一种基于有限元计算裂纹扩展的损伤容限评估方法。首先,研究了孔边初始缺陷的Monte Carlo模拟方法,得到孔边含制造缺陷的深度分布数据;其次,利用AC 33.70-2推荐的电涡流检测法给出的缺陷检测概率曲线,讨论了缺陷检出模拟方法。在此基础上,针对AC 33.70-2给出的钛合金压气机偏心孔案例,采用Abaqus/Franc3D对偏心孔角裂纹和表面裂纹扩展进行了数值模拟,并结合初始缺陷的Monte Carlo模拟结果和缺陷检出模拟,评估了压气机轮盘偏心孔风险,验证了方法的准确性。最后,针对某涡扇发动机篦齿盘均压孔进行了裂纹扩展模拟、损伤容限及风险评估。

涡轮盘中心孔三维疲劳裂纹扩展分析

基于有限元软件ABAQUS和三维裂纹扩展分析软件Franc3D,对涡轮盘中心孔三维疲劳裂纹扩展进行研究分析。首先,对平板试样表面裂纹进行裂纹扩展模拟计算研究,对比手册中Gross/Brown理论模型验证裂纹扩展应力强度因子数值模拟的准确性;其次,针对涡扇发动机涡轮盘结构,对轮盘不同外缘等效应力、转速情况的应力强度因子以及考虑初始缺陷的三维疲劳裂纹扩展寿命进行计算;最后,讨论发动机载荷差异对应力强度因子和裂纹扩展寿命影响规律。结果表明:在相同裂纹长度时,应力强度因子随着轮盘外缘等效应力和转速增加而增大,载荷越大疲劳寿命则越短,且裂纹越长,影响越大。为工程上三维裂纹扩展计算以及寿命评估提供参考。

三维编织SiC/SiC复合材料拉伸和弯曲损伤机制

为了研究三维编织SiC/SiC复合材料损伤机制,开展了室温条件下的单调拉伸和三点弯曲试验。实验前,利用CT扫描手段,明确了三维编织SiC/SiC复合材料试样的编织组织形态。对拉伸和三点弯曲试样的微观分析表明:原生孔洞和微裂纹导致了材料在单调拉伸过程中形成局部应力集中,随着拉伸载荷的增大,基体的横向开裂和纤维束间纵向层间裂纹逐渐演化形成纤维内部裂纹,导致材料最终的脆性断裂失效;在三点弯载荷作用下,表现为剪切、拉压共生的多耦合破坏模式,拉应力一侧首先发生失效,随后在中性面处发生剪切破坏,紧接着失效迅速向上下两侧扩展,直至截面在整个厚度方向发生失效;断口与纤维束的走向相关性很大,裂纹基本上沿着纤维束之间的界面进行扩展,导致最终失效未发生在理论失效位置处。