搜索高溫合金葉片的斷裂特征有限元分析
2013-06-09 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
通過對渦輪葉片用、定向凝固合金材料DZ4緊湊拉伸試樣的斷裂韌性計算,在有限元程序MSC. MARC下建立了復(fù)雜構(gòu)件應(yīng)力強度因子的計算模型;結(jié)合試驗研究,計算了預(yù)置裂紋葉片的應(yīng)力強度因子,分析了發(fā)生斷裂時的狀態(tài),發(fā)現(xiàn)葉片的斷裂韌性具有較大的分散性,其中一部分明顯低于材料的試驗值;對工作條件下的故障葉片進行了模擬計算,反映出該葉片在發(fā)生斷裂時瞬斷區(qū)偏大而疲勞區(qū)偏小的斷裂特征。
作者: 魏大盛*王延榮*李偉 來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 航空發(fā)動機 渦輪葉片 定向凝固 斷裂韌性聲 應(yīng)力強度因
航空發(fā)動機渦輪葉片在嚴(yán)酷的高應(yīng)力條件下工作,其對材料性能的要求越來越高,在縱向上尤其如此。定向凝固葉片的出現(xiàn)滿足了這種需求,同傳統(tǒng)鑄造葉片相比,其在縱向上具有更好的抗疲勞斷裂性能。本次研究對象為某型發(fā)動機II級渦輪葉片,其材料為定向凝固高溫鎳基合金DZ4。在使用過程中,該葉片的進、排氣邊區(qū)域曾產(chǎn)生裂紋并導(dǎo)致斷裂。
為深人研究葉片斷裂特征并找出斷裂原因,開展了以下的試驗研究及數(shù)值模擬工作。首先,采用緊湊拉伸試樣測定了DZ4材料不同方向的斷裂韌性Kic同時給出裂紋尖端應(yīng)力強度因子Ki的計算表達式,并采用MSC. MARC進行了有限元計算。通過計算值與測量值之間的對比,驗證了計算方法的準(zhǔn)確性;其次,在預(yù)置裂紋葉片旋轉(zhuǎn)破壞試驗的基礎(chǔ)上,建立了葉片在給定裂紋形式下的有限元模型,用以模擬葉片斷裂時的狀態(tài),并計算出葉片裂紋尖端應(yīng)力強度因子值;最后,根據(jù)故障葉片的瞬斷區(qū)面積建立相應(yīng)的計算模型,并在實際工作載荷下計算裂紋尖端的應(yīng)力強度因子值。將葉片裂紋尖端的應(yīng)力強度因子值同材料斷裂韌性相比較,既可為葉片故障原因的判定提供科學(xué)依據(jù),分析葉片斷裂與材質(zhì)、結(jié)構(gòu)的關(guān)系,又為工程上構(gòu)件的斷裂分析提供了一種有效可靠的方法,以適應(yīng)損傷容限定壽方式的需要。
2裂紋尖端應(yīng)力強度因子計算方法的驗證
葉片的結(jié)構(gòu)形式及承受載荷都較為復(fù)雜,其應(yīng)力強度因子只能通過數(shù)值方法獲得,必須對數(shù)值結(jié)果的準(zhǔn)確性進行考核,這項工作包括兩方面的內(nèi)容:試驗研究及理論分析。
首先,選取緊湊拉伸試驗件,按照標(biāo)準(zhǔn)試驗方法進行了DZ4材料斷裂韌性的測試,試驗件結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。表1給出了DZ4材料緊湊拉伸試驗件的斷裂韌性值(L表示縱向,T表示橫向),表2為相關(guān)的材料數(shù)據(jù)。
其次,通過獲得的試驗數(shù)據(jù)對算法進行考核。有限元程序MSC. MARC中提供了斷裂力學(xué)分析模塊,可以通過拓?fù)渌阉鞯姆绞綄ふ伊鸭y尖端的J積分回路,進而計算出J積分,再根據(jù)小范圍屈服下的平面應(yīng)變關(guān)系式得到應(yīng)力強度因子
式中E為彈性模量,μ為泊松比,J為J積分。
2.1有限元模型及邊界條件
利用緊湊拉伸試驗件的對稱性,取其1/4建立有限元模型,如圖2。模型共有節(jié)點1292個,單元840個,在裂紋處對網(wǎng)格進行了加密處理。分析時的邊界條件為:在對稱面上,約束所有節(jié)點的法向位移;在圓孔處沿一方向(垂直于裂紋面)施加外載荷.
圓孔上的拉力值可由下式確定
2.2結(jié)果及分析
當(dāng)裂紋長度α為23 mm,則a/W=0.575 , Kic=61.1 MPa·m1/2,利用式(2)及式(3)計算得到Fl=19678. 5 N,下標(biāo)L表示縱向。MARC程序求得縱向斷裂的J積分值為27.71 MPa·mm,裂紋尖端等效應(yīng)力如圖3所示,由式(1)計算得出縱向應(yīng)力強度因子為60. 46 MPa·m1/2。
為檢驗算法的可靠性,假設(shè)裂紋長度α為30 mm(修改有限元模型),則a/W=0.75,計算得到Fl=8. 4697 kN,求得縱向斷裂的J積分值為26. 57MPa·mm,計算得出縱向應(yīng)力強度因子為59. 21MPa·m1/2。
同表1中材料斷裂韌性的試驗平均值相比,計算相對誤差分別為1. 87%及3. 09%,在工程允許的誤差范圍內(nèi)。本算例表明:應(yīng)用MARC程序中的斷裂力學(xué)分析模塊和線彈性斷裂力學(xué)理論中J積分與應(yīng)力強度因子K的關(guān)系,能夠較為準(zhǔn)確的給出裂紋尖端的I型應(yīng)力強度因子K1。對于I型破壞的DZ4預(yù)置裂紋葉片,采用此方法分析,所得結(jié)果是具有工程實際意義的。
3預(yù)置裂紋葉片的斷裂韌性計算
為評估工作條件下葉片發(fā)生瞬斷時的狀態(tài),開展了預(yù)置裂紋葉片的破壞試驗研究,裂紋形式及試驗條件見表30預(yù)置裂紋葉片的破壞為典型的I型斷裂問題,考慮到DZ4材料屬高強度高溫合金,以及斷裂葉片在斷口上所呈現(xiàn)出的脆性斷裂特征,采用前面的方法計算出預(yù)置裂紋葉片的I積分,進而求出應(yīng)力強度因子,以此分析葉片的斷裂特征。
3.1有限元模型及邊界條件
圖4為I號裂紋葉片的有限元模型,共有單元3140個,節(jié)點4704個,在裂紋處對網(wǎng)格進行了細(xì)化,不同試驗葉片具有不同的裂紋形狀及邊界條件。樺齒處施加剛性約束,離心載荷見表3。
3. 2結(jié)果及分析
圖5及圖6給出了1號試驗件裂紋尖端等效應(yīng)力分布,表4則為試驗件斷裂韌性的計算結(jié)果。從表中數(shù)據(jù)看,葉片斷裂韌性存在一定的分散性。2個發(fā)生斷裂葉片的Kic值,較大的與材料指標(biāo)接近,另一個則明顯低于材料指標(biāo)。故障葉片的K}。值偏低可能是導(dǎo)致葉片臨界裂紋長度a。值較低的一個重要因素。
4故障葉片斷裂韌性的計算
故障葉片裂紋距樺槽底部81 mm,位于排氣邊,其葉背裂紋長7. 54 mm,葉盆裂紋長為8. 12 mm,葉片瞬斷時發(fā)動機處于最大轉(zhuǎn)速11 212 r/min,葉片所承受的氣動和溫度負(fù)荷按發(fā)動機設(shè)計狀態(tài)給出,見圖7及圖8,裂紋尖端處的溫度在708℃左右。
計算了故障葉片在離心負(fù)荷、離心+氣動負(fù)荷以及離心+氣動+溫度負(fù)荷三種載荷工況下的J積分,結(jié)果見表5。可以看出,在此條件下葉片的斷裂韌性明顯低于材料的斷裂韌性值。
5結(jié)論
本文通過對緊湊拉伸試驗件斷裂韌性的計算模擬,建立了預(yù)置裂紋葉片斷裂韌性的計算模型,為實際構(gòu)件應(yīng)力強度因子的計算提供了一種可靠的數(shù)值方法。研究表明渦輪葉片的斷裂韌性散度較大,其中一部分葉片斷裂韌性較低,易發(fā)生脆斷,選用更為先進的葉片材料或改進葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以提高葉片的抗疲勞斷裂性能。
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