航空发动机涡轮盘疲劳寿命预测与动态可靠性分析

【类型】学位论文

【作者】张智胜 

【关键词】 涡轮盘 低循环疲劳 寿命预测 动态可靠性

【摘要】作为飞机的关键部件-心脏,航空发动机是飞机正常工作的动力来源,是由数量繁多的零部件组成的结构复杂的系统,在飞机中的地位十分重要。发动机在服役过程中,不断地起动和停车,使其各部件受到复杂的循环载荷作用,十分容易出现疲劳失效、蠕变/断裂等故障,从而在很大程度上威胁着飞机工作的安全性。航空发动机的使用成本、维护费用及其可靠性等与发动机的断裂关键部件-涡轮盘息息相关,涡轮盘的正常工作是发动机乃至飞机整机正常服役的重要保障,其主要失效模式为低循环疲劳失效。推重比、油耗等发动机的性能要求随航空工业的发展日益提高,使作用于涡轮盘的应力和温度载荷愈加严酷,同时要求更高的安全性。作用于涡轮盘的载荷是随机非唯一的,即随机载荷的作用次数是多次的,这对涡轮盘的可靠性具有很大影响。同时涡轮盘的强度和应力的相对大小亦是其可靠性的重要影响因素。多次作用于涡轮盘的随机载荷与工作时间的长短和起始时刻均有关系,故涡轮盘的可靠性是动态的。基于以上原因,对涡轮盘进行低循环疲劳寿命预测和动态可靠性分析,具有重要的理论意义和工程实用价值。本文主要考虑离心载荷(轮盘和叶片)和温度载荷的影响,对涡轮盘进行应力应变分析,根据热弹塑性有限元分析结果计算其低循环疲劳寿命。最后对该涡轮盘进行动态可靠性分析。本文主要由以下三部分内容组成:(1)根据几何数据建立涡轮盘三维模型,在此基础上建立涡轮盘有限元计算模型,根据载荷谱计算涡轮盘的离心载荷,确定温度场,结合涡轮盘的材料参数对涡轮盘进行弹塑性应力应变分析,确定涡轮盘危险部位的应力应变谱。(2)在对涡轮盘应力计算与强度分析的基础上,确定涡轮盘的应力集中系数,将作用于其上的非对称循环载荷转换为对称循环载荷,利用名义应力法中的S-N曲线法拟合涡轮盘的疲劳寿命曲线进行疲劳寿命分析。确定涡轮盘的局部应力应变和疲劳性能参数,应用局部应力应变法中的Morrow修正模型和Mason-Coffin修正模型对该涡轮盘进行寿命预测,并与名义应力法的结果作对比分析。最后考虑多危险部位数目对轮盘寿命的影响,对预测结果进行修正。(3)考虑循环载荷作用次数对可靠性的影响,根据对涡轮盘寿命预测的分析结果,结合GH4133B材料的疲劳特性,对涡轮盘的疲劳寿命分布函数进行拟合。在传统应力-强度干涉模型的基础上,引入条件疲劳可靠度,利用全概率公式,建立涡轮盘在确定载荷和随机载荷单次以及随机载荷多次作用下的可靠性模型,对相应情况下涡轮盘的疲劳可靠性进行分析。并在此基础上,利用随机统计量中泊松分布记数过程的概率特性,建立涡轮盘在随机载荷多次作用下的时变疲劳可靠性模型,对该涡轮盘进行动态疲劳可靠性分析。

【学位名称】硕士

【学位授予单位】电子科技大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】黄洪钟

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