基于有限元分析的渦輪盤疲勞壽命預測

覃 鵬，王國輝

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

渦輪盤是發動機的轉動部件，工作環境惡劣，一旦失效，將造成嚴重后果[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，無論是基于應力-壽命曲線的方法，還是基于應變-壽命曲線的方法，都要求進行試驗，獲取輪盤在工作環境下的試驗數據，其高昂的試驗成本讓人望而卻步。隨著數值計算和仿真的快速發展，疲勞壽命預測有了新的解決方式，可以利用有限元分析方法計算零部件在其工作環境應力應變情況，并由渦輪盤的應力情況判斷渦輪盤是否發生塑性變化，若發生塑性變化需對相應應力進行修正，再進行壽命預測。

1 預測方法分析

基于有限元分析的輪盤疲勞壽命預測，需先獲得輪盤疲勞破壞的危險部位及其應力和應變。首先，建立合理有效的三維模型，加載相應的工作載荷和約束條件，在此基礎上得到輪盤危險部位和應力應變并對其結果進行修正，獲得結果后運用單軸疲勞壽命常用公式Manson-Coffin的修正公式進行計算[2]。基于有限元分析的輪盤疲勞壽命預測流程如圖1所示。

2 渦輪盤有限元應力應變分析

本文以某航空發動機渦輪盤為例，依據實際結構的幾何尺寸[2]，在 PROE建模軟件中完成渦輪盤的三維實體模型，如圖2所示，為提高計算機效率，根據渦輪盤循環對稱特性，在不影響計算結果情況下將模型簡化，如圖3所示。

在劃分網格時，為保證網格質量，針對不同實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格尺寸(5 mm)，在輪盤榫槽等應力較集中部位采用較小的網格尺寸(1 mm)，最終得到15 725個單元和16 491格節點。

某航空發動機渦輪盤材料為GH4133合金鋼，不考慮溫度變化，以300 ℃為環境溫度，材料的具體參數如表1、表2所示。

表1 GH4133物理性能參數

表2 GH4133疲勞性能參數

2.1 渦輪盤的載荷條件

航空發動機實際服役工作過程中，存在起動、慢車、巡航、最大等多種工況，使得渦輪盤在整個壽命周期內的載荷條件非常復雜，本文進行分析時選擇發動機在最大載荷工況下的循環，其工作轉速為0～12 710 r/min，同時要考慮葉片的離心力作用于渦輪盤的榫槽上[2,4]。輪盤在高溫環境下工作，溫度為 300 ℃[2]，在對稱面上限制其周向位移，限制渦輪盤的軸向位移。

2.2 求解與結果分析

加載后進行求解，如圖4，圖5得到渦輪盤的應力和應變云圖，其最大等效應力位于渦輪盤榫槽處應力值為823 MPa,最大等效應變為 0.004 395。

根據有限元分析發現，在最大工況時渦輪盤局部發生了塑性變形，塑性變形區域存在殘余應力，需要對應力應變進行修正[5]。殘余應力σR和最大應力σmax的關系如圖6所示。

(1)

(2)

3 渦輪盤疲勞壽命預測

對于渦輪盤，不需要知道其載荷的數量和力的大小，傳統的S-N曲線方法不再用于渦輪盤的壽命預測。根據渦輪盤的載荷情況和有限元分析結果，本文選擇Morrow法彈性應力線性修正的Manson-Coffin公式進行計算，其式如下：

(3)

代入式(3)求得[6]:

Nf=20 328

經過有限元應力應變分析，發現渦輪盤的危險部位處于與葉片相連的榫槽，同時在最大工作應力條件下，渦輪盤發生局部塑性變形，通過修正并使用Manson-Coffin公式進行計算，本文中使用的渦輪盤疲勞壽命Nf=為20 328次循環,與文獻[2]所得結果趨勢一致，滿足低周疲勞壽命(104～105)的區間范圍。

4 結論

基于有限元分析的疲勞壽命方法簡單、有效，其中采用的對有限元應力應變結果的修正能夠避免直接使用有限元軟件分析壽命的誤差，更趨近真實情況，尤其是該方法能夠與試驗相結合，進行V&V(模型確認與驗證)工作，能夠減少試驗周期和成本。本文分析過程充分說明利用有限元分析進行疲勞壽命預測具有高效、簡單的優點，該方法適用于精度要求不高、試驗條件復雜和已存在試驗樣本的零部件疲勞壽命預測。