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下建立了復雜構件應力強度因子的計算模型;結合試驗研究,計算了預置裂紋葉片的應力強度因子,分析了發生斷裂時的狀態,發現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,反映出該葉片在發生斷裂時瞬斷區偏大而疲勞區偏小的斷裂特征。
作者: 魏大盛*王延榮*李偉 來源: 萬方數據
關鍵字: 航空發動機 渦輪葉片 定向凝固 斷裂韌性聲 應力強度因
航空發動機渦輪葉片在嚴酷的高應力條件下工作,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滿足了這種需求,同傳統鑄造葉片相比,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、排氣邊區域曾產生裂紋并導致斷裂。
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確性;其次,在預置裂紋葉片旋轉破壞試驗的基礎上,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,并計算出葉片裂紋尖端應力強度因子值;最后,根據故障葉片的瞬斷區面積建立相應的計算模型,并在實際工作載荷下計算裂紋尖端的應力強度因子值。將葉片裂紋尖端的應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依據,分析葉片斷裂與材質、結構的關系,又為工程上構件的斷裂分析提供了一種有效可靠的方法,以適應損傷容限定壽方式的需要。
2裂紋尖端應力強度因子計算方法的驗證
葉片的結構形式及承受載荷都較為復雜,其應力強度因子只能通過數值方法獲得,必須對數值結果的準確性進行考核,這項工作包括兩方面的內容:試驗研究及理論分析。
首先,選取緊湊拉伸試驗件,按照標準試驗方法進行了DZ4材料斷裂韌性的測試,試驗件結構尺寸如圖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為相關的材料數據。
其次,通過獲得的試驗數據對算法進行考核。有限元程序MSC. MARC中提供了斷裂力學分析模塊,可以通過拓撲搜索的方式尋找裂紋尖端的J積分回路,進而計算出J積分,再根據小范圍屈服下的平面應變關系式得到應力強度因子
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。模型共有節點1292個,單元840個,在裂紋處對網格進行了加密處理。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結果及分析
當裂紋長度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,裂紋尖端等效應力如圖3所示,由式(1)計算得出縱向應力強度因子為60. 46 MPa·m1/2。
為檢驗算法的可靠性,假設裂紋長度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。本算例表明:應用MARC程序中的斷裂力學分析模塊和線彈性斷裂力學理論中J積分與應力強度因子K的關系,能夠較為準確的給出裂紋尖端的I型應力強度因子K1。對于I型破壞的DZ4預置裂紋葉片,采用此方法分析,所得結果是具有工程實際意義的。
3預置裂紋葉片的斷裂韌性計算
為評估工作條件下葉片發生瞬斷時的狀態,開展了預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出的脆性斷裂特征,采用前面的方法計算出預置裂紋葉片的I積分,進而求出應力強度因子,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,節點4704個,在裂紋處對網格進行了細化,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結果及分析
圖5及圖6給出了1號試驗件裂紋尖端等效應力分布,表4則為試驗件斷裂韌性的計算結果。從表中數據看,葉片斷裂韌性存在一定的分散性。2個發生斷裂葉片的Kic值,較大的與材料指標接近,另一個則明顯低于材料指標。故障葉片的K}。值偏低可能是導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,葉片瞬斷時發動機處于最大轉速11 212 r/min,葉片所承受的氣動和溫度負荷按發動機設計狀態給出,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荷、離心+氣動負荷以及離心+氣動+溫度負荷三種載荷工況下的J積分,結果見表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,建立了預置裂紋葉片斷裂韌性的計算模型,為實際構件應力強度因子的計算提供了一種可靠的數值方法。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,易發生脆斷,選用更為先進的葉片材料或改進葉片的結構設計可以提高葉片的抗疲勞斷裂性能。
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