基于ANSYS航空发动机材料GH4169在工作温度变化下的热疲劳寿命分析.pdf

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1、机械工程师MECHANICALENGINEER基于ANSYS航空发动机材料GH4169在工作温度变化下的热疲劳寿命分析唐道湘。夏罗生。张启元(张家界航空工业职业技术学院，湖南张家界427000)摘要：依据航空发动机从启动到停机过程中的温度变化，基于ANSYS软件的三维模型进行动态分析，研究发动机的热疲劳，为准确确定叶片使用寿命提供理论依据。关键词：航空发动机：涡轮叶片：热疲劳中图分类号：V263．6文献标志码：A文章编号：1002-2333(2016)08-0141—030引言航空发动机是飞机的动力源，是飞机的心脏。其性能直接决定了飞机的性能优劣和飞行安全；涡轮部件(叶片和盘

2、)是其中的主要零件之一，它们的强度设计质量直接关系到发动机的耐久性、可靠性和寿命。发动机涡轮部分在工作时经历高温和低温的热循环。热循环包括发动机启动、巡航、降落过程中部件温度在室温与工作温度之间的循环变化，随着发动机功率而变化。发动机的某些部分在热力循环过程中还要承受机械载荷交替作用，在涡轮转子叶片上体现的尤为突出。由于涡轮转子叶片具有复杂的几何形状，而且从叶根到叶尖、前缘到尾缘都存在较大的温度梯度，因此，热疲劳问题更加显著。通过设计一种能够模拟涡轮部件材料热疲劳性能的试件，开展实验件热传导模拟、应力应变分析和寿命预测。所研究的模型可针对涡轮盘，也可用于为涡轮叶片材料的热力学

3、性能评估。本文将采用ANSYS对涡轮叶片材料的热疲劳进行研究，探讨对叶片定寿的一种补充技术【l-31。1研究的模型与工作状态由于叶片形状复杂，难以夹持，目前国内外在进行涡轮叶片的试验时，通常采用简化的试件，如与叶片材料相同的圆棒，来模拟构件试验。虽然试验结果能反映一定问题，但与实际情况存在一定差异；而全叶型试验的价格又非常昂贵。模拟试验采用一个凸形的试验件(如图1)，它能够模拟叶片危险部位在实际工作状态下的温度场、应力场，特别是对热应力的集中问题具有较好的体现，对叶片材料热力学性能的考验也具有良好的条件。因此试验所得的低周期疲劳寿命为叶片在实际使用中的寿命，为定寿工作提供重要

4、依据。飞机发动机一个完整的工作过程包括起飞、爬升、巡航、降落等几个过程。在每个完整的工作过程中，涡轮叶片都必须经受载荷和温度的一个由低到高、再由高到低的循环过程，也就是说涡轮叶片在工作条件下承受的是变动载荷和变动温度。本文将研究在不受到其他外加载荷下，只受到温度变化引起的热应力作用下的循环疲劳损伤，以期得到温度变化对叶片寿命的影响。2有限元分析2．，定义材料锻造叶片所用材料GH4139是一种奥氏体型时效高温合金，在700～900。C以下具有一定的高温强度、良好的综合性能和组织稳定性。在航空发动机上主要用作700～900。C以下使用的涡轮盘和涡轮转子叶片等重要承力件。其中弹性模

5、量和应力应变曲线是根据现有的材料手册的20—900℃下的应力应变曲线进行插值处理得到的，其密度为8．24x10司kg／mm3，泊松比为0．3，弹性模量为205GPa，抗拉强度为685MPa。由于进行热力学疲劳分析，还要使用到GH4169随温度的变化的导热系数和膨胀系数及比热容㈣。2．2划分网格及施加约束为了节省计算机资源，保证求解精度，采用Solid45六面体单元对叶片进行映射网格划分。由于本试验件的形状很规则，为了提高非线性计算精度，我们选取较细的网格单元来进行划分。把网格单元的边长设为lmm这样的网格单元基本能达到计算标准并有较好的运算速度。模型共有50220个J＼节点等

6、参六面体译元，214796个节点二如图2所示。一在发动机的实际工作情况下，当高温燃气进入涡轮，涡轮里温度迅速升高，即叶片将受到高温燃气温度的影响很大，就如把试验件放入高温炉中加热一般。涡轮叶片在工作状态图2模型计算网格下表面温度为850～900。C，温度的变化是一个热传导系统，试验件的温度随着时间变化而变化，其中包括系统内能的增加、导热系数、对流系数、辐射率以及热生成。由于启动关闭发动机就是一次循环，选取最高温度为850。C，网址：WWW．jxgcs．corn电邮：hrbengineer@163．com2016年第8期I141机械工程师MECHANICALENGINEER仅一

7、次循环作为加载条件，温度载荷谱如图3所示。23结果分析选取结果中一个横截面作为考核面来分析，利用ANSYS的时间一历程后处理器，绘制了MX处和MN处的温度随时间变化关系，产生的温度梯度及变形。根据图4发现突起MX处的温度首先达到最高温度，是因为突起比基底窄，加热时热交换快，内能低，突起温度随载荷温度变化响应时间短。而基底中一I：,MN处，热流到达时间长，响应时间长，温度上升滞后。这个差别在同一时刻必然会产生一个温度不同的两个区域，产生温度梯度，即达到了热应力产生的标准。在时间到达136s时突起MX和基底