復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)鎳基單晶高溫合金低周疲勞損傷研究.pdf

1、鎳基單晶高溫合金因其優(yōu)越的高溫抗疲勞、抗蠕變性能，已成為制造航空渦輪發(fā)動機(jī)熱端部件的重要材料。鎳基單晶合金的低周疲勞損傷是影響鎳基單晶合金渦輪葉片壽命的重要方面，但迄今為止國內(nèi)外對這方面的許多問題還缺乏深入的研究。本文以鎳基單晶合金渦輪葉片的壽命分析為工程背景，采用理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，對鎳基單晶合金的熱彈塑性行為和高溫低周疲勞性能進(jìn)行了深入的研究，建立了相應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系和壽命預(yù)測模型。最后利用ANSYS有限元結(jié)構(gòu)分析

2、軟件對某發(fā)動機(jī)渦輪盤-片系統(tǒng)進(jìn)行三維非線性循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變分析，并對鎳基單晶合金渦輪葉片的低周疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測。 全文分為兩部分：第一部分研究鎳基單晶合金的屈服行為和彈塑性本構(gòu)關(guān)系，并進(jìn)行有限元驗(yàn)證和數(shù)值模擬；第二部分進(jìn)行鎳基單晶合金低周疲勞試驗(yàn)研究和壽命預(yù)測模型研究，探索疲勞壽命與不同狀態(tài)參量之間的關(guān)系，分別從能量耗散原理和不可逆熱力學(xué)理論出發(fā)，建立兩種低周疲勞壽命預(yù)測模型，并利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行考核驗(yàn)證，進(jìn)而用于真實(shí)構(gòu)件的

3、計(jì)算分析。具體為： 第二章假設(shè)鎳基單晶合金的屈服函數(shù)是由若干應(yīng)力偏張量的不變量的線性組合構(gòu)成，用應(yīng)力偏張量分量的平方乘積項(xiàng)構(gòu)成的應(yīng)力不變量考慮正交各向異性材料在偏軸受載時(shí)存在的拉、剪應(yīng)力耦合效應(yīng)，對Hill屈服準(zhǔn)則進(jìn)行修正，提出新的鎳基單晶合金屈服準(zhǔn)則，給出了新屈服準(zhǔn)則中各向異性參數(shù)的確定方法，并重新定義了等效應(yīng)力和等效應(yīng)變的表達(dá)式，用于各向同性材料，新屈服準(zhǔn)則及其等效應(yīng)力和等效應(yīng)變則退化為vonMises屈服準(zhǔn)則及其相應(yīng)的等效

4、應(yīng)力和等效應(yīng)變。第三章從Druker公設(shè)出發(fā)，依據(jù)聯(lián)合流動法則，采用等向硬化模型，建立了鎳基單晶合金的彈塑性增量型本構(gòu)關(guān)系，并推導(dǎo)出彈塑性矩陣的顯示表達(dá)式。第四章根據(jù)前兩章建立的鎳基單晶合金彈塑性理論的有關(guān)公式，編制有限元分析程序，將其集成到ANSYS軟件中，利用鎳基單晶合金拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證上述理論和公式的正確性和實(shí)用性，并在此基礎(chǔ)上，對鎳基單晶合金缺口試樣進(jìn)行熱彈塑性循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變場的數(shù)值模擬。 第五章對DD3鎳基單晶合金在6

5、80℃溫度的單向拉伸和低周疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析討論，探索疲勞壽命與不同狀態(tài)參量之間的關(guān)系，為研究鎳基單晶合金低周疲勞壽命提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。第六和第七章通過兩種途徑研究鎳基單晶合金低周疲勞損傷的演化規(guī)律：一是從能量耗散原理出發(fā)，詳細(xì)分析鎳基單晶合金低周疲勞損傷的影響因素，選用循環(huán)塑性應(yīng)變能作為損傷參量，討論它的構(gòu)成要素和計(jì)算方法，導(dǎo)出了用循環(huán)塑性應(yīng)變能作為損傷參量的鎳基單晶合金低周疲勞壽命預(yù)測模型；二是基于含內(nèi)變量的不可逆熱力學(xué)理論，用應(yīng)變能

6、釋放率作為熱力學(xué)廣義力描述材料的疲勞損傷過程，定義了含有3個(gè)彈性常數(shù)的鎳基單晶合金應(yīng)力三軸性因子，引入損傷驅(qū)動力循環(huán)特征參數(shù)反映循環(huán)載荷的交替變化特征，用取向函數(shù)考慮材料的晶體取向?qū)ζ趽p傷的非線性影響，導(dǎo)出鎳基單晶合金低周疲勞損傷的演化規(guī)律，建立復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的鎳基單晶合金低周疲勞損傷積累模型。第八章在考慮渦輪葉片材料的各向異性、渦輪盤榫槽與葉片榫頭之間的接觸非線性、材料的彈塑性變形和溫度不均勻引起的熱應(yīng)力等情況下，使用ANSYS有限