[發明專利]一種考慮多部位及多失效模式的渦輪盤損傷容限評估方法有效
| 申請號: | 201611266927.5 | 申請日: | 2016-12-31 |
| 公開(公告)號: | CN106644784B | 公開(公告)日: | 2018-11-16 |
| 發明(設計)人: | 胡殿印;王榮橋;王西源;毛建興;高曄;劉茜 | 申請(專利權)人: | 北京航空航天大學 |
| 主分類號: | G01N3/32 | 分類號: | G01N3/32;G01M5/00 |
| 代理公司: | 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251 | 代理人: | 楊學明;顧煒 |
| 地址: | 100191*** | 國省代碼: | 北京;11 |
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| 摘要: | |||
| 搜索關鍵詞: | 失效模式 渦輪盤 損傷容限 多部位 低循環疲勞 疲勞失效 蠕變 評估 疲勞 裂紋擴展壽命 渦輪盤材料 復合 采集材料 工況條件 裂紋擴展 微觀裂紋 性能數據 榫接結構 載荷譜 盤心 盤緣 預測 | ||
1.一種考慮多部位及多失效模式的渦輪盤損傷容限評估方法,其特征在于實現步驟如下:
第一步,獲取渦輪盤工況條件,所述工況條件指渦輪各個位置的機械載荷與熱載荷狀況,由渦輪盤設計工作狀態轉速、工作狀態的溫度場分布、外場載荷譜確定;
第二步,基于第一步獲取的渦輪盤工況條件,確立渦輪盤結構三種典型失效模式,所述三種典型失效模式為低循環疲勞失效、蠕變\疲勞失效和高低周復合疲勞失效;所述低循環疲勞失效指最大應力超過了材料的屈服應力,發生破壞時應力循環次數低于為103~104,低循環疲勞為渦輪盤結構是盤緣以內位置的主要失效模式;所述蠕變\疲勞失效是指結構在高溫下承受循環載荷,由于蠕變損傷和疲勞損傷交互作用產生的失效,蠕變\疲勞失效是渦輪盤盤緣位置的主要失效模式;所述高低周復合疲勞失效指高周疲勞載荷與低周疲勞載荷共同作用下的疲勞失效模式,渦輪盤榫接處的主要失效模式為高低周復合疲勞失效;
第三步,依據第二步所述的三種失效模式,分別開展模擬各失效特征的裂紋擴展實驗,并基于實驗數據建立三種失效模式下的壽命預測方法,對于低循環疲勞失效模式,開展不同取樣位置的裂紋擴展實驗,不同取樣位置微觀組織觀測實驗,采集宏觀裂紋擴展數據與微觀組織特征數據,基于數據建立低循環疲勞壽命預測方法;對于蠕變疲勞失效模式,開展不同溫度和不同保載時間的裂紋擴展實驗,采集宏觀裂紋擴展數據,基于數據建立蠕變\疲勞壽命預測方法;對于高低周復合疲勞失效模式,開展不同應力比的裂紋擴展實驗,榫接結構件高低周復合疲勞實驗,基于數據建立高低周復合疲勞壽命預測方法;
第四步,根據第三步建立的壽命預測方法,結合渦輪盤工況條件,對渦輪盤不同部位的實際裂紋進行壽命評估,所述壽命評估是指定期對服役渦輪盤進行裂紋檢測,對檢出裂紋的裂紋擴展階段壽命做出預測;所述裂紋擴展階段壽命指裂紋從裂紋檢出開始,到結構失穩斷裂為止的壽命數;當起裂位置在渦輪盤盤心至盤緣區域內,疲勞載荷最大應力超過了材料的屈服應力,采用第三步建立的低循環疲勞壽命預測方法;當起裂位置在盤緣處,載荷存在明顯保載時間,采用第三步建立的蠕變\疲勞壽命預測方法;當起裂部位在榫接結構處,采用第三步建立的高低周復合疲勞壽命預測方法;
所述第三步中,低循環疲勞裂紋擴展預測方法如下:
(1)微觀晶粒尺寸數據采集:在渦輪盤盤緣A、盤心B和安裝邊D分別多次采樣,利用掃描電鏡觀察微觀組織特征,分別得到渦輪盤盤緣A、盤心B和安裝邊D三個不同位置處晶粒尺寸dA,dB,dD,三者取平均計算渦輪盤平均晶粒尺寸所述微觀組織特征指晶粒、二次相/強化相的分布;
(2)宏觀裂紋擴展數據采集:對盤緣A、盤心B和安裝邊D三個部位多次采樣CT試件進行不同應力比、不同溫度的載荷條件下低循環疲勞試驗,所述CT試件為標準緊湊拉伸試件;低循環疲勞試驗中,顯微鏡記錄預制裂紋處裂紋張開及閉合過程的圖片,利用數字圖像相關法DIC對比裂紋張開及閉合過程的圖片之間的差異,得到圖片中各點在不同圖片之間的位移a,記錄每張圖片對應的實驗循環數N;最后利用某一時間段內位移差da除以實驗循環數dN,便得到渦輪盤A、B、D三處試件不同應力比和不同溫度條件下裂紋擴展速率da/dN;所述不同應力比指試驗循環加載時最小應力與最大應力之比,根據渦輪盤工作時載荷譜計算得到;所述不同溫度指試驗時試件加載溫度包括A、B、D三處服役溫度加上室溫,覆蓋整盤溫度場;所述低循環疲勞試驗指實驗中最大應力超過了材料的屈服應力,發生破壞時應力循環次數范圍為103到104,低循環疲勞為渦輪盤結構在工作過程中常見的一種工作狀態;
(3)裂紋擴展分析方法:利用步驟(1)得到的微觀A、B和D處晶粒尺寸dA,dB,dD和渦輪盤平均晶粒尺寸數據,以及步驟(2)得到的渦輪盤A、B、D三處試件不同應力比和不同溫度條件下裂紋擴展速率數據da/dN代入Paris公式中,利用統計學方法擬合得到公式中的參數C和n;再將C和n代入考慮壽命分散性的Paris公式中,利用統計學方法擬合得到考慮壽命分散性的Paris公式中的壽命分散因子XL,每一個試件對應一個壽命分散因子,將壽命分散因子按照A、B、D三處位置進行分類,選擇正態分布擬合得到A、B、D三處壽命分散因子的分布;
(4)低循環疲勞裂紋擴展壽命預測方法:通過渦輪盤結構靜強度分析確定危險點位置,假設為盤緣A、盤心B或安裝邊D三者之間某處,通過該某處靜強度分析得到的裂紋類型查找應力強度因子手冊計算得到該某處應力強度因子范圍ΔK,將ΔK和步驟(3)得到的該某處壽命分散因子的分布代入考慮壽命分散性的Paris公式,對此Paris公式積分得到裂紋擴展壽命與裂紋長度關系;初始裂紋長度a0和斷裂時最終裂紋長度ai分別表示渦輪盤在外場工作過程中初次通過裂紋觀察技術觀察到的裂紋長度和渦輪盤斷裂時的裂紋長度,使用者通過外場統計數據得到或者進行渦輪盤試驗時利用顯微鏡觀察得到,將初始裂紋長度a0和斷裂時最終裂紋長度ai代入裂紋擴展壽命與裂紋長度關系中即可計算裂紋擴展壽命。
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