复杂应力状态镍基单晶高温合金低周疲劳损伤的研究.pdf

摘要镍基单晶高温合金因其优越的高温抗疲劳、抗蠕变性能,已成为制造航空涡轮发动机热端部件的重要材料。镍基单晶合金的低周疲劳损伤是影响镍基单晶合金涡轮叶片寿命的重要方面,但迄今为止国内外对这方面的许多问题还缺乏深入的研究。本文以镍基单晶合金涡轮叶片的寿命分析为工程背景,采用理论分析、数值模拟和试验验证相结合的方法,对镍基单晶合金的热弹塑性行为和高温低周疲劳性能进行了深入的研究,建立了相应的本构关系和寿命预测模型。最后利用 ANSYS有限元结构分析软件对某发动机涡轮盘一片系统进行三维非线性循环应力一应变分析,并对镍基单晶合金涡轮叶片的低周疲劳寿命进行了预测。全文分为两部分:第一部分研究镍基单晶合金的屈服行为和弹塑性本构关系,并进行有艰元验证和数值模拟;第二部分进行镍基单晶合金低周疲劳试验研究和寿命预测模型研究,探索疲劳寿命与不同状态参量之间的关系,分别从能量耗散原理和不可逆热力学理论出发, 建立两种低周疲劳寿命预测模型,并利用试验数据对模型进行考核验证,进而用于真实构件的计算分析。具体为: 第二章假设镍基单晶合金的屈服函数是由若干应力偏张量的不变量的线性组合构成,用应力偏张量分量的平方乘积项构成的应力不变量考虑正交各向异性材料在偏轴受载时存在的拉、剪应力耦合效应,对Hill屈服准则进行修正,提出新的镍基单晶合金屈服准则,给出了新屈服准则中各向异性参数的确定方法,并重新定义了等效应力和等效应变的表达式,用于各向同性材料,新屈服准则及其等效应力和等效应变则退化为von Mises屈服准则及其相应的等效应力和等效应变。第三章从Druker公设出发,依据联合流动法则,采用等向硬化模型,建立了镍基单晶合金的弹塑性增量型本构关系,并推导出弹塑性矩阵的显示表达式。第四章根据前两章建立的镍基单晶合金弹塑性理论的有关公式,编制有限元分析程序,将其集成到ANSYS软件中,利用镍基单晶合金拉伸试验数据验证上述理论和公式的正确性和实用性,并在此基础上,对镍基单晶合金缺口试样进行热弹塑性循环应力一应变场的数值模拟。第五章对DD3镍基单晶合金在680。C温度的单向拉伸和低周疲劳试验结果进行分析讨论,探索疲劳寿命与不同状态参量之间的关系,为研究镍基单晶合金低周疲劳寿命提供实验依据。第六和第七章通过两种途径研究镍基单晶合金低周疲劳损伤的演化规律:一是从能量耗散原理出发,详细分析镍基单晶合金低周疲劳损伤的影响因素, 选用循环塑性应变能作为损伤参量,讨论它的构成要素和计算方法, 导出了用循环塑性应变能作为损伤参量的镍基单晶合金低周疲劳寿命预测模型;二是基于含内变量的不可逆热力学理论,用应变能释放率作为热力学广义力描述材料的疲劳损伤过程,定义了含有3个弹性常数的镍基单晶合金应力三轴性因子,引入损伤驱动力循环特征参数反映循环载荷的交替变化特征,用取向函数考虑材料的晶体取向对疲劳损伤的非线性影响,导出镍基单晶合金低周疲劳损伤的演化规律, 建立复杂应力状态下的镍基单晶合金低周疲劳损伤积累模型。第八章在考虑涡轮叶片材料的各向异性、涡轮盘榫槽与叶片榫头之间的接触非线性、材料的弹塑性变形和温度不均匀引起的热应力等情况下,,进行三维非线性循环应力一应变场分析,并利用以上建立的 2种低周疲劳寿命预测模型,分别对DD3镍基单晶合金涡轮叶片的低周疲劳寿命进行预测,预测结果在一定程度上得到了涡轮叶片构件试验的支持和验证。最后对全文的主要工作和结论进行了总结。关键词镍基单晶合金,正交各向异性,低周疲劳,复杂应力, 损伤, ABSTRACT Single crystal superalloy became OK material for the hotsections ofaircraftgas turbine engine due toitshiIghperformance of the anti—fatigue/creep under elevated cycle fatigue damage is allimportant factor toeffectthe lifeofgas turbine blades made ofsinglecrystal nickel-—basedsuperalloy,but SO farthemany problems in this贰ld are not deeply studied all over theway of theory puter simulation and experimental test,the thermo elastic-plastic behaviour and low c