覃 鵬，王國輝

(1.中國兵器裝備集團(tuán)自動(dòng)化研究所， 四川 綿陽 621000;2.遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司116車間， 沈陽 110045)

渦輪盤是發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件，工作環(huán)境惡劣，一旦失效，將造成嚴(yán)重后果[1]。由于盤類零件載荷的特殊性，疲勞失效是其主要失效模式。然而，無論是基于應(yīng)力-壽命曲線的方法，還是基于應(yīng)變-壽命曲線的方法，都要求進(jìn)行試驗(yàn)，獲取輪盤在工作環(huán)境下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其高昂的試驗(yàn)成本讓人望而卻步。隨著數(shù)值計(jì)算和仿真的快速發(fā)展，疲勞壽命預(yù)測有了新的解決方式，可以利用有限元分析方法計(jì)算零部件在其工作環(huán)境應(yīng)力應(yīng)變情況，并由渦輪盤的應(yīng)力情況判斷渦輪盤是否發(fā)生塑性變化，若發(fā)生塑性變化需對(duì)相應(yīng)應(yīng)力進(jìn)行修正，再進(jìn)行壽命預(yù)測。

1 預(yù)測方法分析

基于有限元分析的輪盤疲勞壽命預(yù)測，需先獲得輪盤疲勞破壞的危險(xiǎn)部位及其應(yīng)力和應(yīng)變。首先，建立合理有效的三維模型，加載相應(yīng)的工作載荷和約束條件，在此基礎(chǔ)上得到輪盤危險(xiǎn)部位和應(yīng)力應(yīng)變并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行修正，獲得結(jié)果后運(yùn)用單軸疲勞壽命常用公式Manson-Coffin的修正公式進(jìn)行計(jì)算[2]?；谟邢拊治龅妮啽P疲勞壽命預(yù)測流程如圖1所示。

2 渦輪盤有限元應(yīng)力應(yīng)變分析

本文以某航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤為例，依據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)的幾何尺寸[2]，在 PROE建模軟件中完成渦輪盤的三維實(shí)體模型，如圖2所示，為提高計(jì)算機(jī)效率，根據(jù)渦輪盤循環(huán)對(duì)稱特性，在不影響計(jì)算結(jié)果情況下將模型簡化，如圖3所示。

在劃分網(wǎng)格時(shí)，為保證網(wǎng)格質(zhì)量，針對(duì)不同實(shí)體組合部分的幾何特征，采用不同的劃分方式，在輪輪盤中間等不重要部分采用較大的網(wǎng)格尺寸(5 mm)，在輪盤榫槽等應(yīng)力較集中部位采用較小的網(wǎng)格尺寸(1 mm)，最終得到15 725個(gè)單元和16 491格節(jié)點(diǎn)。

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤材料為GH4133合金鋼，不考慮溫度變化，以300 ℃為環(huán)境溫度，材料的具體參數(shù)如表1、表2所示。

表1 GH4133物理性能參數(shù)

表2 GH4133疲勞性能參數(shù)

2.1 渦輪盤的載荷條件

航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際服役工作過程中，存在起動(dòng)、慢車、巡航、最大等多種工況，使得渦輪盤在整個(gè)壽命周期內(nèi)的載荷條件非常復(fù)雜，本文進(jìn)行分析時(shí)選擇發(fā)動(dòng)機(jī)在最大載荷工況下的循環(huán)，其工作轉(zhuǎn)速為0～12 710 r/min，同時(shí)要考慮葉片的離心力作用于渦輪盤的榫槽上[2,4]。輪盤在高溫環(huán)境下工作，溫度為 300 ℃[2]，在對(duì)稱面上限制其周向位移，限制渦輪盤的軸向位移。

2.2 求解與結(jié)果分析

加載后進(jìn)行求解，如圖4，圖5得到渦輪盤的應(yīng)力和應(yīng)變云圖，其最大等效應(yīng)力位于渦輪盤榫槽處應(yīng)力值為823 MPa,最大等效應(yīng)變?yōu)?0.004 395。

根據(jù)有限元分析發(fā)現(xiàn)，在最大工況時(shí)渦輪盤局部發(fā)生了塑性變形，塑性變形區(qū)域存在殘余應(yīng)力，需要對(duì)應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行修正[5]。殘余應(yīng)力σR和最大應(yīng)力σmax的關(guān)系如圖6所示。

(1)

(2)

3 渦輪盤疲勞壽命預(yù)測

對(duì)于渦輪盤，不需要知道其載荷的數(shù)量和力的大小，傳統(tǒng)的S-N曲線方法不再用于渦輪盤的壽命預(yù)測。根據(jù)渦輪盤的載荷情況和有限元分析結(jié)果，本文選擇Morrow法彈性應(yīng)力線性修正的Manson-Coffin公式進(jìn)行計(jì)算，其式如下：

(3)

代入式(3)求得[6]:

Nf=20 328

經(jīng)過有限元應(yīng)力應(yīng)變分析，發(fā)現(xiàn)渦輪盤的危險(xiǎn)部位處于與葉片相連的榫槽，同時(shí)在最大工作應(yīng)力條件下，渦輪盤發(fā)生局部塑性變形，通過修正并使用Manson-Coffin公式進(jìn)行計(jì)算，本文中使用的渦輪盤疲勞壽命Nf=為20 328次循環(huán),與文獻(xiàn)[2]所得結(jié)果趨勢一致，滿足低周疲勞壽命(104～105)的區(qū)間范圍。

4 結(jié)論

基于有限元分析的疲勞壽命方法簡單、有效，其中采用的對(duì)有限元應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果的修正能夠避免直接使用有限元軟件分析壽命的誤差，更趨近真實(shí)情況，尤其是該方法能夠與試驗(yàn)相結(jié)合，進(jìn)行V&V(模型確認(rèn)與驗(yàn)證)工作，能夠減少試驗(yàn)周期和成本。本文分析過程充分說明利用有限元分析進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測具有高效、簡單的優(yōu)點(diǎn)，該方法適用于精度要求不高、試驗(yàn)條件復(fù)雜和已存在試驗(yàn)樣本的零部件疲勞壽命預(yù)測。