涡轮盘热力耦合及中心孔疲劳裂纹扩展研究

基于有限元软件ABAQUS/Franc3D,对某型航空发动机涡轮盘在热-机械载荷作用下的疲劳裂纹扩展规律进行研究。首先,进行涡轮盘网格无关性验证以保证计算精度;其次,针对涡轮盘进行导热分析以确定温度分布;再次开展了热-力载荷联合作用下的应力应变计算、静强度校核;最后,计算了中心孔处疲劳裂纹扩展参量以及疲劳裂纹扩展寿命。研究结果表明:该涡轮盘在最大转速状态下静强度满足要求,中心孔区域为应力集中危险点。裂纹尖端温度变化速率随着裂纹的深入而增加,导致了裂纹尖端应力场的扰动,裂纹由I型模式转为I/II混合模式。疲劳裂纹扩展寿命预测结果偏于危险,但可为涡轮盘损伤容限设计提供依据。

沉积路径对激光增材制造结构件残余应力的影响

以H13工具钢粉末为原材料,使用激光金属沉积技术快速成形薄壁结构件.采用Fluent开发气体/金属粉末流计算流体动力学(CFD)模型,分析强制对流热损失参数.建立沉积过程热流本构方程,采用生死单元技术模拟金属沉积,基于APDL语言进行编译加载,实现激光金属沉积3D热-力顺序耦合有限元模拟.分析沉积路径对薄壁结构热分布和残余应力场分布不同模式的影响.结果表明:直壁结构拐角局部存在超过工件拉伸强度的残余拉应力,从而导致裂纹生成;与单向沉积路径不同,之字形沉积路径在沉积层中诱导不同符号的残余切应力;单向沉积壁温度梯度相对较低,其残余应力略低于之字形沉积壁,但成形结构件的整体质量较低;残余应力计算结果与实验测量值相吻合,可为特定零件几何形状沉积提供参考.