航空发动机涡轮盘裂纹扩展分析

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1、2010年第36墨帮2期Vol，36No．2Apr．201034／35航空发动机涡轮盘裂纹扩展分析秦银雷，魏大盛。王延荣(北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191)秦银雷(1984)。男，在读硕士研究生。研究方向为航空发动机结构强度。收稿日期：2009-12-091引言作为航空发动机热端部件的涡轮盘工作条件十分严酷，对其进行结构设计必须遵守相关结构强度准则，其中之一为涡轮盘在出现初始裂纹后应有足够的裂纹扩展寿命，以满足可靠性和耐久性需求。因此，随着长寿命及经济性要求的提高，涡轮盘损伤容限分析El益得到重视。国内外针对涡轮盘损伤容限的研究已经开展

2、了许多。宋迎东等【11对粉末冶金涡轮盘进行了应力分析，成为构件疲劳寿命评估的基础；魏大盛【21和陈勇【3】采用有摘要：在计算分析含有角裂纹等厚空心盘应力强度因子基础上，针对某涡．轮盘螺栓孔周向应力最大处建立孔边角裂纹的有限元模型；利用．，积分法，计算得到不同尺寸裂纹前沿的应力强度因子；采用2自由度法描述扩展过程中裂纹前沿形状的发展，对角裂纹引起的轮盘裂纹扩展过程进行了有限元模拟；最后得到涡轮盘的裂纹扩展寿命。关键词：涡轮盘；应力强度因子；裂纹扩展寿命；有限元；航空发动机AnalysisofCrackPropagationforAeroengineTurbi

3、neDiskQINYin—lei。WEIDa—sheng,WANGYah—rong(ShoolofJetPropulsion,Be舒i119Unive玮ityofAeronaticsandAstronautics，Beijiag100191，ChiIla)Abstract：BasedOltthecalculationofstressintensity血tor,fortheequal-thicknesshollowturbinediskwiththecornercrack。afiniteelementmodelofthecornercrackl‘I∞esta

4、blishedformturbinediskboltholemaximumcircumferentialstress．Thestressintens酊factor,ofthedifferentsizecrackfrontwerecalculatedbytheJ-integralmethod．Thedevelopmentofcrackfrontshoeinthepropagationprocess埘∞describedbythetwodegreeoffreedontmethod；thecrackpropagationprocessoftheturbinedi

5、skcausedbythecornercrackWassimuh蹴dbythefiniteelementmethod．凡，砒thecrackpropagationlifeoftheturbinedisk乱恤predicted．Keywords：turbinedisk；stressintensityfactor；crackgrowthlife；FEM；aeroengine限元方法对涡轮盘的裂纹扩展寿命进行了分析，但由于裂纹体有限元模型建立比较复杂、工作量较大，分析中都假设裂纹在扩展过程中保持形状不变，显然这种假设不能很好地反映实际情况。本文采用Lin和Smi

6、thl41提到的2自由度方法描述裂纹扩展，在通用有限元程序MARC中实现了涡轮盘裂纹扩展的模拟，并评估了涡轮盘寿命。2空心等厚盘角裂纹应力强度因子计算验证在工程中，通常以线弹性断裂力学为基础，由Paris公式求得裂纹扩展寿命；而采用门哭分法2010芷第36螽舞2期V01．36No．2Ap,．2010求解应力强度因子最为常见。Rise于1968年提出的．，积分，最初并未考虑体积力的影响，但随着工程应用越来越广泛，人们开始提出修正形式，以考虑体积力对．，积分的影响。MSC．MARC程序中的门炙分表达式嘲为户仆¨T)nt-矿qni等

7、dr(1)r‘‘‘式中：形为

8、应变能密度；T为动能密度，其引入使得门炙分能够考虑体积力的影响。在分析中，以MSC．MARC的断裂力学模块定义裂纹前沿，采用拓扑搜索方式确定J积分求解时的积分回路。裂纹前沿由一系列节点构成，得到每个节点的．，积分值后，通过平面应变关系式可以求出对应于每个节点的应力强度因子，即含裂纹等厚盘的有限元模型如图2所示。首先，计算了不含裂纹时的应力状态，图3给出了等厚盘中心孔边周向应力的有限元计算结果，为440．9MPa，与解析嘲429．64MPa的相对误差为2．6％；其次，用门灵分法计算了含裂纹时的应力强度因子值，图4给出了计算结果与手册解嗍之间的对照，最大相对误

9、差为6％。从总体上看，应力强度因子沿裂纹前沿的变化趋势与手册解吻合