复杂热机载荷下航空发动机涡轮盘结构多轴蠕变疲劳损伤与寿命预测研究

Combined with the vital demand for self-developed airliner engines, the study of life assessment of key components under complex multiaxial variable amplitude loading at high temperature for the security service of major equipment has a great scientific value and practical engineering significance. In the project, multiaxial fatigue strength theory, strength theory of material, damage mechanics and thermal-solid coupling finite element analysis are combined to explore the creep-fatigue damage mechanisms for aeroengine turbine disk structure at high temperatures under thermomechanical multiaxial loading, to do quantitative theoretical analysis and experimental investigation, and to develop a life assessment system for the key components, which provide the technical basis for the structural strength design and life extension for aero-engine. The main contents of the study include: (1) study on the mechanism of multiaxial creep-fatigue damage and thermo-mechanical fatigue damage at high temperature; (2) relationship characteristic of multiaxial cyclic stress-strain for alloy structural materials under at high temperature; (3) cycle counting method under multiaxial complex loading at high temperature; (4) method for determining the local stress and strain at dangerous point for structural components under multiaxial complex loading at high temperature; (5) calculation of multiaxial creep-fatigue damage under complex thermomechanical loading at high temperature; (6) multiaxial creep-fatigue life assessment system for the key locations of aeroengine turbine disk at high temperature.

结合国家对自主研发大客航空发动机的重大需求, 研究高温复杂变幅载荷下的航空发动机热端关键零部件寿命评估对重大装备安全服役具有重要的科学研究价值和工程实际意义。本项目结合多轴疲劳强度理论、材料强度理论，损伤力学、热固耦合有限元分析等对航空发动机涡轮盘结构件在高温热机多轴加载下的蠕变-疲劳损伤机制和热机多轴疲劳损伤机理进行系统的试验研究和定量的理论分析，研究出关键零部件寿命评估系统，为我国航空发动机结构强度设计和延寿提供技术基础。项目的研究主要内容包括: (1) 高温多轴蠕变与热机疲劳损伤机理研究；(2) 高温环境下高温合金结构材料多轴循环应力应变关系特性研究；(3) 高温多轴复杂载荷的循环计数方法研究；(4) 高温复杂多轴载荷下缺口件缺口危险部位局部应力应变确定方法的研究；(5) 高温热机载荷下多轴蠕变-疲劳损伤计算研究；(6) 航空发动机涡轮盘关键部位多轴蠕变-疲劳寿命评估系统研究。

结合国家对军民两用航空发动机的重大需求, 本项目深入研究了多轴热机械疲劳加载下材料的损伤机理和变形行为、多轴热机循环本构关系、寿命预测方法与评估系统。主要研究内容和结果如下：.1）提出考虑非比例附加硬化和动态应变时效的粘塑性本构模型。引入动态应变时效影响因子进一步改进了随动硬化规则，考虑了动态应变时效引起的循环硬化行为，确定了多个温度下的材料常数并表达成了温度的函数，实现了高温非等温的多轴热机械循环加载下的本构模拟。2）分析了材料应力-应变曲线和结构应力-应变曲线，提出了实际应力增量可由材料应力-应变曲线斜率和结构应力-应变曲线斜率的比值修正虚应力增量获得。结合了提出的粘塑性本构理论确定缺口应力-应变。对比了多轴热机械循环加载下提出方法算得的应变值和热固耦合非线性有限元分析算得的应变值，发现所提出方法能够给出精确的预测结果。3）提出了能够实时处理载荷谱的多轴热机械循环计数方法，识别了计出反复的等效温度考虑温度对损伤累积的影响，形成了针对实际结构的变幅多轴热机械疲劳寿命预测理论，其寿命预测误差在2倍因子以内。4）利用提出的理论对某型航空发动机涡轮盘结构进行了分析。根据某飞机某次截击任务载荷谱简化出了转速历程和温度历程。对涡轮盘结构进行了基于二次开发的热固耦合非线性有限元仿真。确定了涡轮盘结构的危险点，提取了危险点应力-应变历程和温度历程，利用开发的多轴热机械疲劳寿命预测系统评估了危险点损伤。危险点寿命较低的原因可能是拉伸应力较大引起了较多蠕变损伤。.本项目所提出的结构级变幅多轴热机械疲劳寿命预测理论与所开发的多轴热机械疲劳寿命预测系统，将为结构强度设计部门准确评估关键构件在复杂载荷工况下的寿命提供技术支撑。成果将对我国航空发动机的结构强度设计水平的提高，保障安全性和可靠性方面会起到积极的作用。