基于材料微观特性的涡轮盘疲劳裂纹萌生寿命数值仿真

《基于材料微观特性的涡轮盘疲劳裂纹萌生寿命数值仿真》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、航空学报ActaAeronauticaelAstronauticaSinicaFeb．252013V01．34No．2282．290ISSN1000．6893ON11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaaedu．cnhkxb@buaa．edu．C13doi：10．7527／$1000—6893．2013．0032基于材料微观特性的涡轮盘疲劳裂纹萌生寿命数值仿真牟园伟，陆山*西北Z--业大学动力与能源学院，陕西西安710072摘要：为了研究材料微观特性对结构疲劳寿命的影响，根据Tanaka—Mura疲劳裂纹萌生寿命计算理论，模拟某镍基粉末合金涡轮盘喉道

2、表面疲劳裂纹萌生寿命。利用泰森多边形生成法，模拟微观多晶结构，建立宏一细观模型相结合的三维仿真模型。实现3项关键技术：1)在三维模型中模拟了面心立方晶体中{111)面族的12条主滑移系；2)应用缺VI根部裂纹萌生的Tanaka-Mura理论模型模拟一条微裂纹在另一条裂纹尖端萌生；3)模拟了微裂纹的起裂、扩展与联合过程，最终形成一条宏观裂纹。对某表面带刀痕涡轮盘疲劳裂纹萌生寿命数值仿真结果与真盘试验结果相差20％。研究表明，减小晶粒尺寸、降低表面粗糙度、形成表面压缩残余应变以及析出沉淀颗粒都有利于提高涡轮盘的疲劳裂纹萌生寿命。关键词：疲劳；裂纹萌生；粉末合金；

3、涡轮；数值模型；数值仿真中图分类号：V232．3文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)02—0282～09材料的疲劳主要包含疲劳裂纹的萌生与扩展两个过程。在工程中，结构疲劳裂纹的萌生涉及微裂纹的形成与微观扩展直至某一预定尺寸口](通常为50～500肚m量级)。目前常用的结构疲劳裂纹萌生寿命预测方法是基于大量实验数据的唯象法，此方法不仅不能很好地从本质上反映影响结构疲劳寿命的因素，而且较依赖于实验，因此往往产生较大分散性及误差。而基于结构微观特性模拟的疲劳寿命预估方法可以克服这些弊端，成为这一领域新的研究方向。研究发现，在晶粒尺寸范围内，疲劳裂

4、纹的起裂与扩展主要取决于结构微观特征，比如晶粒尺寸、晶格取向、沉淀夹杂等[2]。绝大多数微观裂纹都在试件的表面萌生。试件表面的质量很大程度上决定了疲劳裂纹的萌生寿命。通过对表面的进一步研究认为，在大多数多晶金属材料中，沿滑移带的不可逆循环滑移是疲劳裂纹萌生的根本原因13]。Tanaka和Mura对由不可逆循环滑移导致的疲劳裂纹萌生进行了系统地理论研究，于1981年首次提出疲劳微裂纹沿晶粒内某一滑移带萌生的理论计算模型[4]。Hoshide和Kusuura应用此理论模型模拟了钢和钛合金在多轴载荷下的疲劳行为[s]。在Hoshide和Kusuura模型中，晶粒用

5、变形的二维正六边形模拟，而且没有考虑微观材料的各向异性。Angelika和Huang应用此理论模型对微观裂纹在马氏体钢各晶粒内的萌生进行了初步模拟[6j。Angelika和Huang的模型只是在二维层面模拟了晶粒的正交各向异性，而且没有考虑各微裂纹之间的联合效应。Huang等在此基础上又进行了微观结构的三维建模，研究了二维模型与三维模型模拟结果的差异口]。收稿日期：2012—02—22；退修日期：2012-03—16；录用日期：2012—05-15；网络出版时间：2012-06-0815：53网络出版地址：WWW．onki．net／kcrns／detail／

6、11．1929．V20120608．1553002．htmI*通讯作者．Tel．：029—88493164E—mail：shanlu@nwpu．edu．Cfl礅用格式lMuYW，LuS．Numerica／simulationoffatigue-crack-initiationlifeforturbinediskbased0,9materialmicrocosmiccharacteristics。ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2013，34(2)：282-290．牟园伟．瞌山．基于材料镀观特性的涡轮盘疲劳裂纹萌生寿命数

7、值仿真．航空学报．2013，34(2)：282．290．牟园伟等：基于材料微观特性的涡轮盘疲劳裂纹萌生寿命数值仿真Jezernik等在文献[6]的基础上，通过对每条滑移带的裂纹萌生进行分段处理，最终模拟得到疲劳裂纹的萌生寿命[8曲]。但是，Jezernik仿真模型以Tanaka和Mura模型为理论依据，而Tanaka和Mura理论模型的前提条件是微裂纹沿晶粒内一条滑移带整体起裂[4]。因此，Jezernik模型对微裂纹沿滑移带分段起裂的处理方法在理论上值得商榷。本文首次将Tanaka和Mura关于微裂纹在滑移带、缺口根部及夹杂沉淀处萌生的理论模型应用到某镍基

8、粉末合金涡轮盘的疲劳寿命模拟中。模型采用三维建模，并