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航空发动机轮盘中心孔模拟试验件设计方法及试验验证

魏大盛 冯俊淇 马梦弟 姚利信 王延荣

魏大盛, 冯俊淇, 马梦弟, 等. 航空发动机轮盘中心孔模拟试验件设计方法及试验验证[J]. 航空动力学报, 2022, 37(10):2157-2166 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220205
引用本文: 魏大盛, 冯俊淇, 马梦弟, 等. 航空发动机轮盘中心孔模拟试验件设计方法及试验验证[J]. 航空动力学报, 2022, 37(10):2157-2166 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220205
WEI Dasheng, FENG Junqi, MA Mengdi, et al. Design method and test verification of simulated specimen of aeroengine disc center hole[J]. Journal of Aerospace Power, 2022, 37(10):2157-2166 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220205
Citation: WEI Dasheng, FENG Junqi, MA Mengdi, et al. Design method and test verification of simulated specimen of aeroengine disc center hole[J]. Journal of Aerospace Power, 2022, 37(10):2157-2166 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220205

航空发动机轮盘中心孔模拟试验件设计方法及试验验证

doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220205
基金项目: 国家科技重大专项(J2019-Ⅳ-0012-0080)
详细信息
    作者简介:

    魏大盛(1978-),男,副教授、博士生导师,博士,主要从事航空发动机用材料及结构强度研究。E-mail:dasheng.w@163.com

  • 中图分类号: V231.95

Design method and test verification of simulated specimen of aeroengine disc center hole

  • 摘要:

    依据涡轮盘有限元计算结果,确定盘心考核位置处的应力状态,并将周向应力和轴向应力比值以及轮盘中心孔处周向应力沿径向的应力梯度作为设计指标,保证模拟件应力状态与实际轮盘一致。针对轮盘中心孔考核位置,本文共设计两类模拟件:一是反映双轴应力状态的多轴模拟件,二是反映应力梯度的平板缺口模拟件。分别采用两种试验件,结合轮盘实际载荷条件开展低循环疲劳试验,并对试验结果进行统计分析。进而,采用多轴疲劳寿命预测模型及考虑应力梯度影响的寿命预测模型对两种试验件的疲劳寿命进行评估,双轴模拟件的预测结果均在2倍分散带内,平板缺口模拟件的预测结果均在3倍分散带内,此寿命预测结果对实际轮盘设计具有参考价值。

     

  • 图 1  有限元模型

    Figure 1.  Finite element model

    图 2  轮盘中心孔边应力分布

    Figure 2.  Stress distribution around the disc center hole

    图 3  轮盘中心孔处周向应力沿径向的应力梯度

    Figure 3.  Circumferential stress gradient along radial direction at the disc center hole

    图 4  轮盘中心孔多轴应力模拟件尺寸示意图

    Figure 4.  Dimension diagram of multiaxial stress simulator of the disc center hole

    图 5  轮盘中心孔多轴应力模拟件结构尺寸(单位:mm)

    Figure 5.  Structural dimensions of multiaxial stress simulator of the disc center hole (unit: mm)

    图 6  轮盘中心孔应力梯度模拟件尺寸示意图

    Figure 6.  Dimension diagram of stress gradient simulator of the disc center hole

    图 7  不同缺口半径对应力梯度的影响

    Figure 7.  Influence of different notch radius on stress gradient

    图 8  不同缺口净截面宽度对应力梯度的影响

    Figure 8.  Influence of different net section width of notch on stress gradient

    图 9  轮盘中心孔应力梯度模拟件结构尺寸(单位:mm)

    Figure 9.  Structural dimensions of stress gradient simulator of the disc center hole (unit: mm)

    图 10  盘心多轴应力模拟件试验结果

    Figure 10.  Test results of disk centered multiaxial stress simulator

    图 11  裂纹萌生位置断口分析

    Figure 11.  Fracture analysis of crack initiation position

    图 12  盘心应力梯度模拟件试验结果

    Figure 12.  Test results of disc center hole stress gradient simulator

    图 13  轮盘中心孔多轴应力模拟件寿命预测结果

    Figure 13.  Life prediction results of multiaxial stress simulators for the disc center hole

    图 14  轮盘中心孔应力梯度模拟件寿命预测结果

    Figure 14.  Life prediction results of stress gradient simulator for the disc center hole

    表  1  Udimet 720Li材料属性

    Table  1.   Material properties of Udimet 720Li

    温度/℃弹性模型/GPa泊松比线膨胀系数/10−5热导率/(W/(m·℃))比热容/(J/(kg·℃))密度/(kg/m3
    500197.60.3471.3817.7510.68148
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    表  2  不同直梁宽度对应力比值的影响

    Table  2.   Influence of different straight beam width on stress ratio

    直梁宽度${H_3}$/mm应力比值
    2.9−0.264
    3.5−0.304
    3.2−0.237
    3.3−0.227
    3.4−0.220
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    表  3  不同异形孔圆角对应力比值的影响

    Table  3.   Influence of different special-shaped hole fillet on stress ratio

    异形孔圆角${R_3}$/mm应力比值
    3.5−0.218
    4.0−0.222
    4.5−0.220
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    表  4  不同工作段宽度对应力比的影响

    Table  4.   Influence of different working section width on stress ratio

    工作段宽度${B_1}$/mm应力比值
    2.0−0.171
    1.5−0.087
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    表  5  不同缺口半径

    Table  5.   Different notch radius

    净截面宽度/mm缺口半径/mm
    80.1
    80.3
    80.5
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    表  6  不同缺口净截面宽度

    Table  6.   Different net section width of notches

    净截面宽度/mm缺口半径/mm
    80.1
    160.1
    220.1
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    表  7  轮盘中心孔多轴应力模拟件试验数据

    Table  7.   Test data of multiaxial stress simulator of the disc center hole

    试件
    编号
    温度/
    载荷比最大载荷/
    kN
    寿命/
    104
    S15000.0520.13150.6
    S25000.0520.13154.5
    S35000.0520.13173.0
    S45000.0520.13210.6
    S55000.0520.13119.9
    S65000.0520.13119.8
    S75000.0520.13105.1
    S85000.0520.1391.2
    S95000.0520.13130.8
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    表  8  轮盘中心孔应力梯度模拟件试验数据

    Table  8.   Test data of stress gradient simulator of the disc center hole

    试件编号温度/
    载荷比截面积/
    mm2
    最大载荷/
    kN
    寿命/
    104
    P15000.0513.6513.73146.0
    P25000.0514.3414.4275.0
    P35000.0513.9514.03109.5
    P45000.0514.3414.43292.4
    P55000.0514.0714.16163.4
    P65000.0514.3914.48227.6
    P75000.0512.5812.66137.4
    P85000.0512.3912.47101.0
    P95000.0512.8312.91267.4
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    表  9  轮盘中心孔多轴应力模拟件应力应变结果

    Table  9.   Stress and strain results of multiaxial stress simulator of the disc center hole

    加载状态应力/MPa应变
    最大1073.10.0058308
    最小53.6540.0002915
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    表  10  轮盘中心孔应力梯度模拟件应力应变结果

    Table  10.   Stress and strain results of the simulator of the stress gradient in the disc center hole

    加载状态应力/MPa应变
    最大1063.60.005375
    最小53.20.000269
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  • 收稿日期:  2022-04-12
  • 网络出版日期:  2022-09-12

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