一种用于航空发动机热端部件三维裂纹行为分析的数值方法

裂纹在航空发动机热端部件服役过程中不可避免,裂纹行为的准确预测对于服役安全和寿命管理具有重要意义,针对热端部件上三维裂纹行为特征的研究有着巨大需求。面向航空发动机热端部件结构,对复杂几何和应力状态下的三维裂纹的理论从数值应用方面进行了系统总结,并对数值分析中应用的关键技术进行了研究。通过对各型裂纹应力强度因子分量的求解,并选择恰当的裂纹扩展方向准则,实现了复杂的三维复合型裂纹行为的模拟。裂纹尖端单元类型的选取将会影响计算结果的精度,通过对奇异性单元特征尺寸的控制保证了三维裂纹参量求解的准确性。为了获取模拟过程中裂纹前沿曲线的演化,应用"逐个点"的节点增量法作为更新策略重构裂纹前沿,同时裂纹尖端的三层单元环结构的使用保证了网格的稳定更新。通过对比表面裂纹的解析法和数值计算结果,验证了该方法对裂纹驱动力参量的求解精度。最后以高压涡轮叶片为实例,通过数值模拟计算得到了涡轮叶片不同位置裂纹扩展的规律。