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载荷谱作用下考虑蠕变与疲劳的涡轮叶片损伤分析

周渝航 张童 王延荣 孙景国 蒋向华

周渝航, 张童, 王延荣, 等. 载荷谱作用下考虑蠕变与疲劳的涡轮叶片损伤分析[J]. 航空动力学报, 2026, 41(8):20250015 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20250015
引用本文: 周渝航, 张童, 王延荣, 等. 载荷谱作用下考虑蠕变与疲劳的涡轮叶片损伤分析[J]. 航空动力学报, 2026, 41(8):20250015 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20250015
Zhou Yuhang, Zhang Tong, Wang Yanrong, et al. Damage analysis of turbine blade considering creep and fatigue under load spectrum[J]. Journal of Aerospace Power, 2026, 41(8):20250015 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20250015
Citation: Zhou Yuhang, Zhang Tong, Wang Yanrong, et al. Damage analysis of turbine blade considering creep and fatigue under load spectrum[J]. Journal of Aerospace Power, 2026, 41(8):20250015 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20250015

载荷谱作用下考虑蠕变与疲劳的涡轮叶片损伤分析

doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20250015
详细信息
    作者简介:

    周渝航(1995-),男,工程师,博士,主要研究方向为燃气轮机结构强度

    通讯作者:

    张童(2000-),女,博士生,主要研究方向为金属材料蠕变分析、燃气轮机结构强度评估。E-mail:zhang_tong_@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V232.4

Damage analysis of turbine blade considering creep and fatigue under load spectrum

  • 摘要:

    基于可描述蠕变三阶段的归一化参数蠕变模型,通过编写usercreep子程序,实现了对涡轮叶片包含多工况的典型试验载荷谱下的蠕变模拟。对单个及多个循环的载荷谱分别进行蠕变模拟,结果显示在蠕变作用下,应力集中部位随着蠕变应变的增长会发生应力松弛现象,单个载荷谱循环下,高工况产生的蠕变应变占比超过90%。在试验载荷谱运行下,引发叶片失效的主要因素为蠕变与疲劳。结合Miner线性损伤累积法则,对涡轮叶片在寿命预测的基础上进行损伤分析。而在实际应用中,试验载荷远高于实际运行使用强度,因此为了更贴合实际地评估叶片的平均故障间隔时间,利用损伤等效系数对叶片的当量运行时间进行评估,并建立估算流程,针对本文研究的涡轮叶片及试验载荷谱,可以将其换算为实际运行强度下的时长为26 283.6 h。

     

  • 图 1  蠕变模型示意图

    Figure 1.  Gragh of creep model

    图 2  K444材料持久寿命方程拟合数据点

    Figure 2.  Fitting experiments data of K444 endurance life equation

    图 3  涡轮叶片模型

    Figure 3.  Turbine blade model

    图 4  叶片有限元模型

    Figure 4.  Blade finite element mesh

    图 5  叶片载荷云图

    Figure 5.  Load nephograms of blade

    图 6  简化后的单个循环载荷谱

    Figure 6.  Simplified single cyclic load spectrum

    图 7  单个循环结束后叶片Mises等效蠕变应变分布

    Figure 7.  Mises equivalent creep strain distribution of blade after single cycle

    图 8  单个循环结束后叶片Mises等效应力分布

    Figure 8.  Mises equivalent stress distribution of blade after single cycle

    图 9  M1M2点应变和应力随时间变化曲线

    Figure 9.  Strain and stress curve with time of points M1 and M2

    图 10  100个循环结束后叶片Mises等效应力和蠕变应变分布

    Figure 10.  Mises equivalent stress and creep strain distributions after 100 cycles

    图 11  考核点M3位置示意图

    Figure 11.  Gragh of assessment point M3 position

    图 12  M3点应力和应变随时间变化曲线

    Figure 12.  Stress and strain curve with time of point M3

    图 13  各工况下累积损伤等效系数随循环数增长曲线

    Figure 13.  Curve of cumulative damage equivalent coefficient increase with cycle number

    图 14  工况示意图

    Figure 14.  Gragh of working conditions

    图 15  变载时应力假设曲线

    Figure 15.  Assumption of stress curve under load changing

    表  1  K444材料应力-持久寿命方程拟合系数

    Table  1.   Fitting coefficients of K444 stress-endurance life equation

    g1 g2 g3 g4 g5
    134.9009 0.0099 142.2438 62.5064 9.4111
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    表  2  K444材料蠕变模型拟合参数

    Table  2.   Parameter fitting results of K444 creep model

    i ai bi ci di
    1 15.4923 24.8095 18.1057 26.4454
    2 10.2401 13.4548 18.7700 22.5927
    3 90.8229 130.6416 136.6764 198.1386
    4 107.1287 160.7775 232.7360 335.5564
    5 25.6918 30.8656 25.9412 33.2279
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    表  3  K444合金低循环疲劳寿命模型参数

    Table  3.   Parameters of low cycle fatigue life model of K444

    参数 温度/℃
    20 600 800 900
    E/GPa 203 173 157 148
    $ {\sigma }^{\prime}_{\text{f}} $/MPa 1205 1354 1405 1431
    $ {\varepsilon }^{\prime}_{\text{f}} $ 1.15 10.12 13.21 14.76
    b 0.0599 0.1401 0.1678 0.1816
    c 0.4189 0.6384 0.7141 0.7520
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    表  4  各工况产生的等效蠕变应变及其占比

    Table  4.   Equivalent creep strain and proportion under each working condition %

    工况等效蠕变应变在总蠕变应变中的占比
    A0.1709593.795
    B0.011076.074
    C0.000190.104
    D0.000020.011
    E0.000030.016
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    表  5  局部子模型法应力分析结果

    Table  5.   Results of stress analysis by local submodel method

    网格 模型 应力云图 最大
    应力/MPa
    原网格 858
    1次
    加密
    906
    2次
    加密
    1008
    3次
    加密
    1106
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    表  6  各工况下持久寿命累积损伤等效系数

    Table  6.   Cumulative damage equivalent coefficient of endurance life under various working conditions

    工况 单个载荷谱
    运行时间/h
    100个循环下的累积
    损伤等效系数
    350个循环下的
    累积损伤等效系数
    A 2.70 0.0874 0.2143
    B 1.03 0.0082 0.0196
    C 0.33 2.584×10−4 5.858×10−4
    D 0.33 2.166×10−5 4.819×10−5
    E 0.93 1.489×10−5 3.379×10−5
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    表  7  不同工况间相对损伤等效系数

    Table  7.   Equivalent coefficient of relative damage with different working conditions

    工况 总运行
    时间/h
    每小时产生的
    损伤等效系数
    各工况相对工况A的
    相对损伤等效系数
    A 945 2.268×10−4 1
    B 360.5 5.437×10−5 0.240
    C 115.5 5.072×10−6 0.022
    D 115.5 4.172×10−7 1.840×10−3
    E 325.5 1.038×10−7 4.577×10−4
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    表  8  各工况下疲劳寿命累积损伤等效系数

    Table  8.   Cumulative damage equivalent coefficient of fatigue life under various working conditions

    工况 单个载荷谱
    循环次数
    100个循环下的
    累积损伤等效系数
    350个循环下的
    累积损伤等效系数
    A 4 0.0374 0.1769
    B 2 0.0272 0.0767
    C 0
    D 0
    E 2 1.341×10−3 3.042×10−3
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    表  9  不同工况间相对疲劳损伤等效系数

    Table  9.   Equivalent coefficient of relative fatigue damage with different working conditions

    工况 总循环
    次数
    每次循环产生的
    损伤等效系数
    各工况相对工况A的
    相对损伤等效系数
    A 1400 1.264×10−4 1
    B 700 1.096×10−4 0.867
    C 0 0
    D 0 0
    E 700 4.346×10−6 0.0344
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    表  10  实际燃气轮机运行时长统计

    Table  10.   Data of actual gas turbine operating time

    工况 年度平均
    运行时长/h
    工况 年度平均
    运行时长/h
    高工况A 0.6 低工况H 16.6
    高工况B 12.1 低工况I 15.5
    中工况D 19.2 低工况J 10.3
    中工况E 44.2 低工况K 12.3
    低工况F 101.9 低工况L 48.5
    低工况G 62.5
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    表  11  试验载荷谱与实际运行对应工况损伤等效系数

    Table  11.   Equivalent damage coefficient of working conditions under test load spectrum and actual operation

    参数 工况 实际运行 试验载荷谱
    运行
    运行时长/h A 0.6 945
    B 12.1 360.5
    C 0 115.5
    D 19.2 115.5
    E 44.2 325.5
    累积损伤
    等效系数
    高工况 7.940×10−4 0.2345
    中工况 2.902×10−5 8.198×10−5
    平均损伤
    等效系数
    高工况 6.252×10−5 1.650×10−4
    中工况 1.986×10−7 1.859×10−7
    全工况 1.081×10−5
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    表  12  快速加载工况不同时刻损伤等效系数分析

    Table  12.   Analysis of equivalent damage coefficient at different times under fast loading condition

    参数 数值
    初始时刻 200个载荷谱循环 350个载荷谱循环
    Mises等效应力/MPa 706.89 612.83
    Mises等效蠕变应变/% 0.466 0.424
    疲劳寿命/循环 3151 7514
    累积损伤等效系数 3.174×10−4 0.0436 0.0636
    平均损伤等效系数 3.174×10−4 2.178×10−4 1.816×10−4
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  • [1] Norton F H. The creep of steel at high temperatures[M]. New York, US: McGraw-Hill: 1-79.
    [2] Mcvetty P G. Creep of metals at elevated temperatures: the hyperbolic-sine relation between stress and creep rate[J]. Transactions of the American Society of Mechanical Engineers, 1943, 65(7): 761-767.
    [3] Dorn J E. Some fundamental experiments on high temperature creep[J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 1955, 3(2): 85-116. doi: 10.1016/0022-5096(55)90054-5
    [4] Garofalo F J. Fundamentals of creep and creep-rupturein metals[M]. New York, US: Macmillan, 1965: 1-288.
    [5] Bailey R W. The utilization of creep test data in engineering design[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, 1935, 131(1): 131-349. doi: 10.1243/PIME_PROC_1935_131_012_02
    [6] Graham A, Walles K F A. Relationships between long- and short-time creep and tensile properties of a commercial alloy[J]. Journal of Iron and Steel Institute, 1955, 179(2): 105-120.
    [7] Blackburn L D. Isochronous stress-strain curves for austenitic stainless steels[R]. Richland, US: Hanford Engineering Development Laboratory, 1972.
    [8] Kuo K K. Principles of combustion[M]. 2nd ed. New York, US: John Wiley & Sons, 1986.
    [9] Kachanov L M. On the creep rupture time[J]. Izv Akad Nauk SSSR, 1958, 8: 26-31. (in Russian)
    [10] Rabotnov Y N. On the equations of state for creep[J]. Progress in Applied Mechanics, 1963, 178(1): 307-315.
    [11] Betten J, Sklepus S, Zolochevsky A. A creep damage model for initially isotropic materials with different properties in tension and compression[J]. Engineering Fracture Mechanics, 1998, 59(5): 623-641. doi: 10.1016/S0013-7944(97)00143-4
    [12] Cano J A, Stewart C M. A continuum damage mechanics (CDM) based Wilshire model for creep deformation, damage, and rupture prediction[J]. Materials Science and Engineering: A, 2021, 799: 140231. doi: 10.1016/j.msea.2020.140231
    [13] 陈志英, 王朝, 周平. 涡轮叶片疲劳-蠕变寿命稳健性优化方法[J]. 航空发动机, 2017, 43(4): 11-16. Chen Zhiying, Wang Chao, Zhou Ping. Robust optimization method for turbine blade under fatigue-creep interaction[J]. Aeroengine, 2017, 43(4): 11-16. (in Chinese doi: 10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.04.003

    Chen Zhiying, Wang Chao, Zhou Ping. Robust optimization method for turbine blade under fatigue-creep interaction[J]. Aeroengine, 2017, 43(4): 11-16. (in Chinese) doi: 10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.04.003
    [14] Abu A O, Eshati S, Laskaridis P, et al. Aero-engine turbine blade life assessment using the Neu/Sehitoglu damage model[J]. International Journal of Fatigue, 2014, 61: 160-169. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2013.11.015
    [15] Liu Donghuan, Li Haisheng, Liu Yinghua. Numerical simulation of creep damage and life prediction of superalloy turbine blade[J]. Mathematical Problems in Engineering, 2015, 2015: 732502.
    [16] Yue Peng, Ma Juan, Huang Han, et al. Threshold damage-based fatigue life prediction of turbine blades under combined high and low cycle fatigue[J]. International Journal of Fatigue, 2021, 150: 106323. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2021.106323
    [17] 石多奇, 张雨曼, 隋天校, 等. 单晶涡轮叶片典型任务循环蠕变分析[J]. 航空动力学报, 2024, 39(6): 20210702. Shi Duoqi, Zhang Yuman, Sui Tianxiao, et al. Creep analysis of single crystal turbine blade under typical mission cycle[J]. Journal of Aerospace Power, 2024, 39(6): 20210702. (in Chinese doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210702

    Shi Duoqi, Zhang Yuman, Sui Tianxiao, et al. Creep analysis of single crystal turbine blade under typical mission cycle[J]. Journal of Aerospace Power, 2024, 39(6): 20210702. (in Chinese) doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210702
    [18] 程域钊. 蠕变建模及叶盘结构应力分析[D]. 北京: 北京航空航天大学, 2015. Cheng Yuzhao. Modelling of creep and stress analysis of turbine disk and blade[D]. Beijing: Beihang University, 2015. (in Chinese

    Cheng Yuzhao. Modelling of creep and stress analysis of turbine disk and blade[D]. Beijing: Beihang University, 2015. (in Chinese)
    [19] 师访. ANSYS二次开发及应用实例详解[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2012: 206-214.
    [20] 中国金属学会高温材料分会. 中国高温合金手册[M]. 北京: 中国标准出版社, 2012: 382-607.
    [21] 王登银. 燃气轮机热端部件寿命的等效运行时间分析[J]. 技术与市场, 2017, 24(7): 109-110. Wang Dengyin. Equivalent running time analysis of gas turbine hot-end component life[J]. Technology and Market, 2017, 24(7): 109-110. (in Chinese doi: 10.3969/j.issn.1674-957X.2021.21.066

    Wang Dengyin. Equivalent running time analysis of gas turbine hot-end component life[J]. Technology and Market, 2017, 24(7): 109-110. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1674-957X.2021.21.066
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  • 收稿日期:  2025-01-09
  • 网络出版日期:  2026-04-27

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