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        輪盤彈塑性盤破裂準(zhǔn)則的建立及變厚度輪盤破裂轉(zhuǎn)速預(yù)測

        2011-06-06 03:22:38萬江艷周柏卓
        航空發(fā)動(dòng)機(jī) 2011年5期
        關(guān)鍵詞:輪盤延伸率當(dāng)量

        萬江艷,周柏卓

        (中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所,沈陽 110015)

        輪盤彈塑性盤破裂準(zhǔn)則的建立及變厚度輪盤破裂轉(zhuǎn)速預(yù)測

        萬江艷,周柏卓

        (中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所,沈陽 110015)

        建立了與材料延伸率相關(guān)的輪盤彈塑性破裂準(zhǔn)則。為了驗(yàn)證所提出破裂準(zhǔn)則的正確性,采用非線性有限元對(duì)變厚度輪盤破裂試驗(yàn)件的破裂轉(zhuǎn)速進(jìn)行了預(yù)測,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明,二者吻合很好。

        輪盤;破裂準(zhǔn)則;破裂轉(zhuǎn)速;材料非線性;非線性有限元法

        0 引言

        航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提高,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)提出了更高要求。在滿足強(qiáng)度儲(chǔ)備標(biāo)準(zhǔn)的前提下,要求盡量減輕各部件的質(zhì)量。輪盤是發(fā)動(dòng)機(jī)最關(guān)鍵的部件之一,美國對(duì)民用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的統(tǒng)計(jì)表明,所有輪盤和絕大多數(shù)輪緣的破裂均屬于非包容性故障,可導(dǎo)致災(zāi)難性后果。由于輪盤的破裂碎片打穿發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣后,便可能切斷油路或操縱系統(tǒng),穿過油箱或座艙,造成飛機(jī)損壞、人員傷亡的嚴(yán)重后果。因此,精確預(yù)測輪盤的破裂轉(zhuǎn)速十分重要。

        目前,在工程上通常采用平均應(yīng)力方法來計(jì)算輪盤破裂轉(zhuǎn)速,即用輪盤平均周向、徑向應(yīng)力達(dá)到材料的拉伸強(qiáng)度時(shí)輪盤的轉(zhuǎn)速作為計(jì)算的破裂轉(zhuǎn)速。該方法簡便,且對(duì)于均溫理想塑性材料的對(duì)稱等厚盤的計(jì)算精度很高,但對(duì)于硬化材料和非對(duì)稱盤誤差較大,對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)或帶軸頸結(jié)構(gòu),其計(jì)算結(jié)果不精確且很大程度依賴于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)。

        本文提出了與材料延伸率相關(guān)的輪盤破裂準(zhǔn)則,并對(duì)北京航空航天大學(xué)設(shè)計(jì)的變厚度輪盤破裂試驗(yàn)件[1-3]的破裂轉(zhuǎn)速進(jìn)行了預(yù)測。

        1 輪盤破裂準(zhǔn)則

        在單調(diào)增加的載荷作用下,當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)任一局部點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)達(dá)到光滑拉伸試件破壞時(shí)的狀態(tài)時(shí),該點(diǎn)被破壞。光滑試件的應(yīng)力狀態(tài)為單向應(yīng)力狀態(tài),而真實(shí)構(gòu)件斷裂關(guān)鍵部位往往處在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)中。對(duì)于韌性較好的材料可以將破裂準(zhǔn)則推廣為:在單調(diào)增加的載荷作用下,當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)任一局部點(diǎn)的Von-Mises當(dāng)量應(yīng)力應(yīng)變達(dá)到光滑試件破壞時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變時(shí),該點(diǎn)被破壞。

        材料的延伸率表示光滑試件在單調(diào)增加的載荷作用下所能承受的最大平均塑性應(yīng)變,即延伸率定義為試件拉斷后測量段(標(biāo)距)的塑性變形量除以測量段的原始長度。因此,材料的延伸率可以描述材料破壞前承受塑性變形的能力,輪盤的破裂準(zhǔn)則可進(jìn)一步擴(kuò)展為:在單調(diào)增加的轉(zhuǎn)速作用下,當(dāng)輪盤內(nèi)任一局部點(diǎn)的當(dāng)量塑性應(yīng)變達(dá)到材料的延伸率時(shí),這時(shí)的轉(zhuǎn)速就是輪盤的破裂轉(zhuǎn)速。

        當(dāng)采用大應(yīng)變有限元計(jì)算方法時(shí),需要用對(duì)數(shù)應(yīng)變。當(dāng)量塑性應(yīng)變達(dá)到材料的延伸率時(shí),對(duì)應(yīng)的對(duì)數(shù)塑性應(yīng)變?yōu)?/p>

        因此,當(dāng)采用大應(yīng)變有限元計(jì)算方法時(shí),輪盤的破裂準(zhǔn)則可以描述為:在單調(diào)增加的轉(zhuǎn)速作用下,當(dāng)輪盤內(nèi)任一局部點(diǎn)的當(dāng)量塑性應(yīng)變?chǔ)舕n達(dá)到ln(1+δ5)時(shí),該點(diǎn)被破壞。在轉(zhuǎn)速單調(diào)上升過程中,只要結(jié)構(gòu)的任一局部點(diǎn)出現(xiàn)裂紋,則裂紋將迅速擴(kuò)展,結(jié)構(gòu)將不再具有承受繼續(xù)增加載荷的能力,這時(shí)的轉(zhuǎn)速就是輪盤的破裂轉(zhuǎn)速。

        2 試驗(yàn)輪盤破裂轉(zhuǎn)速預(yù)測

        為了驗(yàn)證所提出破裂準(zhǔn)則的正確性,對(duì)北京航空航天大學(xué)設(shè)計(jì)的變厚度輪盤破裂試驗(yàn)件的破裂轉(zhuǎn)速進(jìn)行預(yù)測,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

        2.1 試驗(yàn)件的基本參數(shù)

        輪盤材料為韌性和塑性較好的A3鋼,其材料數(shù)據(jù)見表1。輪盤中心孔、輪緣、葉尖的直徑分別為100、150、300mm,如圖 1所示。取輪盤破裂時(shí)的局部塑性應(yīng)變?yōu)?0%。

        表1 A3鋼材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)

        2.2 2維軸對(duì)稱模型

        取從盤心到盤緣的部分為研究對(duì)象,用8節(jié)點(diǎn)軸對(duì)稱單元進(jìn)行描述,共劃分為3036個(gè)單元,9469個(gè)節(jié)點(diǎn)。在軸頸端面1點(diǎn)施加軸向位移為0的邊界條件,在盤體上施加輪盤本身質(zhì)量所產(chǎn)生的離心力,在盤緣處以面力的形式施加模擬葉片的離心載荷,其2維軸對(duì)稱有限元模型如圖2所示。

        葉片所產(chǎn)生的離心力為

        F=Mω2R (1)

        式中:F為葉片離心力;M為葉片質(zhì)量,M=3.5873kg;ω 為輪盤的旋轉(zhuǎn)角速度,rad/s;R 為葉片質(zhì)心半徑,R=126.98mm。

        輪盤破裂前的當(dāng)量應(yīng)力和塑性應(yīng)變分布分別如圖3、4所示。輪緣(A點(diǎn))、盤心孔邊(B點(diǎn))及軸頸(C、D點(diǎn))處的當(dāng)量塑性應(yīng)變隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系如圖5所示。

        從圖5中可見,當(dāng)轉(zhuǎn)速小于9000r/min(0.75×12000r/min)時(shí),輪盤幾乎沒有塑性應(yīng)變;隨著轉(zhuǎn)速的增大,各點(diǎn)的塑性應(yīng)變緩慢增加,大小依次為B、C、D、A點(diǎn),D點(diǎn)的塑性應(yīng)變隨著轉(zhuǎn)速的增大,前期增加較慢,后期增加較快;當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到12192r/min時(shí),D點(diǎn)的塑性應(yīng)變已經(jīng)超過B點(diǎn)的;當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到12258r/min時(shí),D點(diǎn)的塑性應(yīng)變達(dá)到10%,此時(shí)的轉(zhuǎn)速為2維軸對(duì)稱模型預(yù)測的輪盤破裂轉(zhuǎn)速。

        2.3 3維實(shí)體模型

        由于具有對(duì)稱性,取整個(gè)結(jié)構(gòu)的1/40為研究對(duì)象,用20節(jié)點(diǎn)3維實(shí)體單元進(jìn)行描述,共劃分為3108個(gè)單元,15440個(gè)節(jié)點(diǎn)。在軸頸端面施加軸向位移為0的邊界條件,在對(duì)稱面上施加周向位移為0的邊界條件,施加輪盤及葉片質(zhì)量所產(chǎn)生的離心力。3維有限元模型如圖6所示。

        輪盤破裂前的當(dāng)量應(yīng)力和當(dāng)量塑性應(yīng)變分布分別如圖 7、8所示,A、B、C、D 點(diǎn)處的當(dāng)量塑性應(yīng)變隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系如圖9所示。

        從圖8中可見,當(dāng)量塑性應(yīng)變?cè)谳喚壧幾畲螅诒P心處次之。從圖9中可見,當(dāng)轉(zhuǎn)速小于8500r/min(0.71×12000r/min)時(shí),輪盤幾乎沒有塑性應(yīng)變;隨著轉(zhuǎn)速的增大,A點(diǎn)的當(dāng)量塑性應(yīng)變?cè)黾虞^快,B、C、D點(diǎn)的當(dāng)量塑性應(yīng)變?cè)黾颖容^緩慢;當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到11880r/min時(shí),A點(diǎn)的當(dāng)量塑性應(yīng)變已經(jīng)達(dá)到10%,此時(shí)的轉(zhuǎn)速為3維有限元模型預(yù)測的輪盤破裂轉(zhuǎn)速。

        2.4 結(jié)果分析

        3維模型能夠描述葉片與輪盤轉(zhuǎn)接處圓角的應(yīng)力集中情況,最大當(dāng)量塑性應(yīng)變就發(fā)生在此處,當(dāng)此處的當(dāng)量塑性應(yīng)變達(dá)到破裂條件時(shí),輪盤破裂。由于2維軸對(duì)稱模型不能描述葉片與輪盤轉(zhuǎn)接處圓角的應(yīng)力集中情況,最大當(dāng)量塑性應(yīng)變?cè)诒P心處。2維軸對(duì)稱模型和3維有限元模型預(yù)測的破裂轉(zhuǎn)速與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比見表2。

        表2 破裂轉(zhuǎn)速預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

        3 結(jié)論

        (1)用彈塑性、大應(yīng)變、大變形的非線性有限元方法對(duì)輪盤破裂轉(zhuǎn)速進(jìn)行預(yù)測時(shí),其局部塑性應(yīng)變不再是小量,應(yīng)該對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行修正,用真實(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

        (2)本文所提出的與材料延伸率相聯(lián)系的輪盤的破裂準(zhǔn)則可以較精確地描述輪盤的破裂行為。用彈塑性、大應(yīng)變、大變形的非線性有限元方法可以較精確地描述輪盤破裂前的變形行為,并能清晰表示出輪盤破裂的最薄弱部位。

        (3)2維軸對(duì)稱有限元模型簡單、計(jì)算速度快,可以較準(zhǔn)確地預(yù)測輪盤沿子午面和圓柱面的破裂行為。但由于在2維軸對(duì)稱模型中對(duì)葉片和輪緣凸塊的作用只能作為用在輪緣上的等效面力來模擬,所以不能描述榫齒連接部位的破裂行為,此時(shí)必須用3維有限元模型,盤榫連接部位采用接觸邊界條件來描述。

        [1]洪其麟,王屏.計(jì)算輪盤破裂轉(zhuǎn)速大變形解析法[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),1990,5(4):321-324.

        [2]鄭祺選.輪盤破裂轉(zhuǎn)速試驗(yàn)研究 [J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),1990,5(4):318-320.

        [3]古愛軍,張學(xué)仁.軸流式輪盤破裂轉(zhuǎn)速的數(shù)值計(jì)算方法[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2001,16(3):287-290.

        [4]航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)用材料數(shù)據(jù)手冊(cè)編委會(huì).航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)用材料數(shù)據(jù)手冊(cè):第3冊(cè)[M].北京:航空工業(yè)出版社,2008.

        [5]機(jī)械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1995.

        Elastic-plastic Disc Burst Criteria Establishment and Variable Thickness Disk Burst Rotational Speed Prediction

        WAN Jiang-yan ZHOU Bai-zhuo
        (AVIC Shenyang Aeroengine Research Institute,Shenyang 110015,China)

        The elastic-plastic disc burst criteria related to material elongation was established.In order to validate the criteria,the burst rotational speed of the variable thickness test disc were predicted using the nonlinear finite element method.The prediction were compred with the test data.The results show the prediction were in accord with the test data.

        disc;burst criterial;burst rotational speed;nonlinear material;nonlinear finite element method

        萬江艷(1973),女,工程師,從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)工作。

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