CN115019913A - 一种双性能粉末盘疲劳裂纹扩展寿命计算方法 - Google Patents

一种双性能粉末盘疲劳裂纹扩展寿命计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种双性能粉末盘疲劳裂纹扩展寿命计算方法，属于航空发动机燃油系统故障诊断技术领域。所提供的双性能粉末盘疲劳裂纹扩展寿命计算方法考虑到了双性能粉末盘分区特性及结构参数，将其用于双性能粉末盘疲劳裂纹扩展寿命预测，提高了双性能粉末盘疲劳裂纹应力强度因子和裂纹扩展寿命计算精度。

Description

一种双性能粉末盘疲劳裂纹扩展寿命计算方法
技术领域
本发明属于航空发动机燃油系统故障诊断技术领域，具体涉及一种双性能粉末盘疲劳裂纹扩展寿命计算方法。
背景技术
双性能粉末盘作为一种轮缘和轮毂部位具有不同显微组织的涡轮盘，其特性可满足粉末盘不同工作环境的使用，但双性能粉末盘在不同组织区域材料性能会有所差异，因此，由于材料性能的差异，传统疲劳裂纹扩展寿命计算方法并不能准确计算双性能粉末盘不同位置疲劳裂纹扩展寿命。
常用疲劳裂纹扩展寿命计算方法为Paris公式：
Figure BDA0003641447830000011
式中：C、n为Paris公式参数；
ΔK为应力强度因子幅值。
裂纹从初始裂纹a0扩展至临界裂纹ac的扩展寿命可由下式结算得到
Figure BDA0003641447830000012
双性能粉末盘在不同组织区域裂纹扩展速率曲线(即Paris公式)并不相同，如果在双性能粉末盘不同位置裂纹使用相同的裂纹扩展速率，会造成裂纹扩展寿命产生较大的误差，因此在计算裂纹扩展寿命时需考虑不同晶粒对裂纹扩展速率的影响。
而计算裂纹扩展寿命必须获得准确的应力强度因子，目前现有的疲劳裂纹应力强度因子计算一般表示为：
Figure BDA0003641447830000021
式中，σ为名义应力；a为裂纹尺寸；Y为形状因子。双性能粉末盘结构复杂，疲劳裂纹受结构因素影响较大，因此形状因子复杂多变，不同结构形状因子表达式有所不同，针对双性能粉末盘，应力强度因子的计算并不能用上述的通用公式来计算。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种双性能粉末盘疲劳裂纹扩展寿命计算方法，所述方法包括如下步骤：
S1：测量双性能粉末盘疲劳裂纹信息；
S2：测取细晶区和粗晶区试样的拉伸极限；
S3：通过有限元方法获取裂纹所在位置应力状态；
S4：测量裂纹所在位置的双性能粉末盘特征尺寸；
S5：建立疲劳裂纹形状因子与特征尺寸的函数；
S6：获取形状因子；
S7：建立应力强度因子与裂纹尺寸、应力及轮盘结构尺寸的关系式；
S8：获取I型疲劳裂纹最深处和裂纹靠近自由表面的应力强度因子表达式；
S9：获得裂纹扩展寿命。
本发明所提供的双性能粉末盘疲劳裂纹扩展寿命计算方法，还具有这样的特征，所述裂纹信息包括裂纹尺寸和裂纹位置，所述裂纹尺寸包括裂纹深度和裂纹表面半长。
本发明所提供的双性能粉末盘疲劳裂纹扩展寿命计算方法，还具有这样的特征，所述S2还包括在双性能粉末盘沿径向进行取样，取样个数不小于10个，对所取试样进行晶相分析，判断晶粒度，进而判断裂纹所在分区。
本发明所提供的双性能粉末盘疲劳裂纹扩展寿命计算方法，还具有这样的特征，所述S4中，双性能粉末盘裂纹位置包括中心孔位置和喉部位置，
裂纹位于中心孔位置时，特征尺寸包括中心孔半径R和轮毂厚度2W；
裂纹位于喉部位置时，特征尺寸包括喉部裂纹中心沿轮盘轴向厚度H1和喉部裂纹中心距轮盘槽底距离H2。
本发明所提供的双性能粉末盘疲劳裂纹扩展寿命计算方法，还具有这样的特征，所述S5中，
细晶区中心孔形状因子与特征尺寸满足下式：
Figure BDA0003641447830000031
其中，l为裂纹尺寸；
m1为形状因子结构系数，m1∈[1.5,2]；
m2为形状因子结构指数，m2∈[0.5,0.8]；
Y为形状因子基值；
粗晶区喉部形状因子与特征尺寸满足下式：
Figure BDA0003641447830000032
其中，l为裂纹尺寸；
m3、m4、m5为形状因子结构系数，m3∈[2,2.5]，m4∈[1,1.3]，m5∈[0.5,0.8]；
Y为形状因子基值。
本发明所提供的双性能粉末盘疲劳裂纹扩展寿命计算方法，还具有这样的特征，所述S6包括如下步骤：
S6.1：在平板试样中引入表面裂纹，通过三维有限元方法计算至少10组裂纹尺寸下的形状因子，裂纹尺寸取值a<0.005R、a<0.005H2、c<0.005W、c<0.005H1；
S6.2：将S6.1中获得的形状因子取均值，即为形状因子，
其中，a为裂纹深度、c为裂纹表面半长、H1为喉部裂纹中心沿轮盘轴向厚度、H2为喉部裂纹中心距轮盘槽底距离、W为轮毂厚度的一半、R为中心孔半径。
本发明所提供的双性能粉末盘疲劳裂纹扩展寿命计算方法，还具有这样的特征，所述S7中，应力强度因子与裂纹尺寸、应力及轮盘结构尺寸的关系如下：
Figure BDA0003641447830000041
其中，X为S4获取的双性能粉末盘特征尺寸、Y为形状因子、σ为通过有限元方法获取的裂纹所在位置应力状态、l为裂纹尺寸。
本发明所提供的双性能粉末盘疲劳裂纹扩展寿命计算方法，还具有这样的特征，所述S8中，
双性能粉末盘细晶区中心孔I型疲劳裂纹最深处和裂纹靠近自由表面的应力强度因子表达式：
Figure BDA0003641447830000051
双性能粉末盘粗晶区喉部I型疲劳裂纹最深处和裂纹靠近自由表面的应力强度因子表达式：
Figure BDA0003641447830000052
其中，a为裂纹深度、c为裂纹表面半长、H1为喉部裂纹中心沿轮盘轴向厚度、H2为喉部裂纹中心距轮盘槽底距离、W为轮毂厚度的一半、R为中心孔半径、σ为通过有限元方法获取的裂纹所在位置应力状态。
本发明所提供的双性能粉末盘疲劳裂纹扩展寿命计算方法，还具有这样的特征，所述S9包括：获取中心孔与喉部的材料拉伸极限σb1、σb2，此时不同组织区域材料性能差异系数为k＝σb1/σbi(i＝1，2)，通过该系数构建不同分区裂纹扩展速率模型：
Figure BDA0003641447830000053
此时，中心孔疲劳裂纹扩展寿命为
Figure BDA0003641447830000054
喉部疲劳裂纹扩展寿命为
Figure BDA0003641447830000055
式中，l为裂纹尺寸；
X为双性能粉末盘特征尺寸；
Y为形状因子基值；
m1为形状因子结构系数，m1∈[1.5,2]；
m2为形状因子结构指数，m2∈[0.5,0.8]；
m3、m4、m5为形状因子结构系数，m3∈[2,2.5]，m4∈[1,1.3]，m5∈[0.5,0.8]。
有益效果
本发明所提供的双性能粉末盘疲劳裂纹扩展寿命计算方法考虑到了双性能粉末盘分区特性及结构参数，将其用于双性能粉末盘疲劳裂纹扩展寿命预测，提高了双性能粉末盘疲劳裂纹应力强度因子和裂纹扩展寿命计算进度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的双性能粉末盘疲劳裂纹扩展寿命计算方法的流程图。
图2为本发明实施例中的双性能粉末盘分区示意图。
图3为本发明实施例中的双性能粉末盘裂纹典型位置结构参数示意图。
图4为本发明实施例中的平板试样示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
如图1-4所示，本实施例提供了一种双性能粉末盘疲劳裂纹扩展寿命计算方法，所述方法包括如下步骤：
S1：测量双性能粉末盘疲劳裂纹信息；
S2：测取细晶区和粗晶区试样的拉伸极限；
S3：通过有限元方法获取裂纹所在位置应力状态；
S4：测量裂纹所在位置的双性能粉末盘特征尺寸；
S5：建立疲劳裂纹形状因子与特征尺寸的函数；
S6：获取形状因子；
S7：建立应力强度因子与裂纹尺寸、应力及轮盘结构尺寸的关系式；
S8：获取I型疲劳裂纹最深处和裂纹靠近自由表面的应力强度因子表达式；
S9：获得裂纹扩展寿命。
在部分实施例中，所述裂纹信息包括裂纹尺寸和裂纹位置，所述裂纹尺寸包括裂纹深度和裂纹表面半长。
在部分实施例中，所述S2还包括在双性能粉末盘沿径向进行取样，取样个数不小于10个，对所取试样进行晶相分析，判断晶粒度，进而判断裂纹所在分区。
在部分实施例中，所述S4中，双性能粉末盘裂纹位置包括中心孔位置和喉部位置，
裂纹位于中心孔位置时，特征尺寸包括中心孔半径R和轮毂厚度2W；
裂纹位于喉部位置时，特征尺寸包括喉部裂纹中心沿轮盘轴向厚度H1和喉部裂纹中心距轮盘槽底距离H2。
在部分实施例中，当裂纹无限小(l/X<0.005，X代表步骤4中特征尺寸参数)时，形状因子会趋近于定值Y，所述S5中，
细晶区中心孔形状因子与特征尺寸满足下式：
Figure BDA0003641447830000091
其中，l为裂纹尺寸；
m1为形状因子结构系数，m1∈[1.5,2]；
m2为形状因子结构指数，m2∈[0.5,0.8]；
Y为形状因子基值；
粗晶区喉部形状因子与特征尺寸满足下式：
Figure BDA0003641447830000092
其中，l为裂纹尺寸；
m3、m4、m5为形状因子结构系数，m3∈[2,2.5]，m4∈[1,1.3]，m5∈[0.5,0.8]；
Y为形状因子基值。
在部分实施例中，通过平板试样获取形状因子基值，如图4所示，其中，裂纹尺寸与平板试样结构参数关系：a/H<0.005、c/W<0.005，裂纹尺寸在此范围内变化时，形状因子为定值，并将该值作为形状因子基值，所述S6包括如下步骤：
S6.1：在平板试样中引入表面裂纹，通过三维有限元方法计算至少10组裂纹尺寸下的形状因子，裂纹尺寸取值a<0.005R、a<0.005H2、c<0.005W、c<0.005H1；
S6.2：将S6.1中获得的形状因子取均值，即为形状因子，
其中，a为裂纹深度、c为裂纹表面半长、H1为喉部裂纹中心沿轮盘轴向厚度、H2为喉部裂纹中心距轮盘槽底距离、W为轮毂厚度的一半、R为中心孔半径。
在部分实施例中，所述S7中，应力强度因子与裂纹尺寸、应力及轮盘结构尺寸的关系如下：
Figure BDA0003641447830000101
其中，X为S4获取的双性能粉末盘特征尺寸、Y为形状因子、σ为通过有限元方法获取的裂纹所在位置应力状态、l为裂纹尺寸。
在部分实施例中，所述S8中，
双性能粉末盘细晶区中心孔I型疲劳裂纹最深处和裂纹靠近自由表面的应力强度因子表达式：
Figure BDA0003641447830000102
双性能粉末盘粗晶区喉部I型疲劳裂纹最深处和裂纹靠近自由表面的应力强度因子表达式：
Figure BDA0003641447830000103
其中，a为裂纹深度、c为裂纹表面半长、H1为喉部裂纹中心沿轮盘轴向厚度、H2为喉部裂纹中心距轮盘槽底距离、W为轮毂厚度的一半、R为中心孔半径、σ为通过有限元方法获取的裂纹所在位置应力状态。
在部分实施例中，所述S9包括：获取中心孔与喉部的材料拉伸极限σb1、σb2，此时不同组织区域材料性能差异系数为k＝σb1/σbi(i＝1，2)，通过该系数构建不同分区裂纹扩展速率模型：
Figure BDA0003641447830000111
此时，中心孔疲劳裂纹扩展寿命为
Figure BDA0003641447830000112
喉部疲劳裂纹扩展寿命为
Figure BDA0003641447830000113
式中，l为裂纹尺寸；
X为双性能粉末盘特征尺寸；
Y为形状因子基值；
m1为形状因子结构系数，m1∈[1.5,2]；
m2为形状因子结构指数，m2∈[0.5,0.8]；
m3、m4、m5为形状因子结构系数，m3∈[2,2.5]，m4∈[1,1.3]，m5∈[0.5,0.8]。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种双性能粉末盘疲劳裂纹扩展寿命计算方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1：测量双性能粉末盘疲劳裂纹信息；
S2：测取细晶区和粗晶区试样的拉伸极限；
S3：通过有限元方法获取裂纹所在位置应力状态；
S4：测量裂纹所在位置的双性能粉末盘特征尺寸；
S5：建立疲劳裂纹形状因子与特征尺寸的函数；
S6：获取形状因子；
S7：建立应力强度因子与裂纹尺寸、应力及轮盘结构尺寸的关系式；
S8：获取I型疲劳裂纹最深处和裂纹靠近自由表面的应力强度因子表达式；
S9：获得裂纹扩展寿命。
2.根据权利要求1所述的双性能粉末盘疲劳裂纹扩展寿命计算方法，其特征在于，所述裂纹信息包括裂纹尺寸和裂纹位置，所述裂纹尺寸包括裂纹深度和裂纹表面半长。
3.根据权利要求1所述的双性能粉末盘疲劳裂纹扩展寿命计算方法，其特征在于，所述S2还包括在双性能粉末盘沿径向进行取样，取样个数不小于10个，对所取试样进行晶相分析，判断晶粒度，进而判断裂纹所在分区。
4.根据权利要求1所述的双性能粉末盘疲劳裂纹扩展寿命计算方法，其特征在于，所述S4中，双性能粉末盘裂纹位置包括中心孔位置和喉部位置，
裂纹位于中心孔位置时，特征尺寸包括中心孔半径R和轮毂厚度2W；
裂纹位于喉部位置时，特征尺寸包括喉部裂纹中心沿轮盘轴向厚度H1和喉部裂纹中心距轮盘槽底距离H2。
5.根据权利要求1所述的双性能粉末盘疲劳裂纹扩展寿命计算方法，其特征在于，所述S5中，
细晶区中心孔形状因子与特征尺寸满足下式：
Figure FDA0003641447820000021
其中，l为裂纹尺寸；
m1为形状因子结构系数，m1∈[1.5,2]；
m2为形状因子结构指数，m2∈[0.5,0.8]；
Y为形状因子基值；
粗晶区喉部形状因子与特征尺寸满足下式：
Figure FDA0003641447820000022
其中，l为裂纹尺寸；
m3、m4、m5为形状因子结构系数，m3∈[2,2.5]，m4∈[1,1.3]，m5∈[0.5,0.8]；
Y为形状因子基值。
6.根据权利要求1所述的双性能粉末盘疲劳裂纹扩展寿命计算方法，其特征在于，所述S6包括如下步骤：
S6.1：在平板试样中引入表面裂纹，通过三维有限元方法计算至少10组裂纹尺寸下的形状因子，裂纹尺寸取值a<0.005R、a<0.005H2、c<0.005W、c<0.005H1；
S6.2：将S6.1中获得的形状因子取均值，即为形状因子，
其中，a为裂纹深度、c为裂纹表面半长、H1为喉部裂纹中心沿轮盘轴向厚度、H2为喉部裂纹中心距轮盘槽底距离、W为轮毂厚度的一半、R为中心孔半径。
7.根据权利要求1所述的双性能粉末盘疲劳裂纹扩展寿命计算方法，其特征在于，所述S7中，应力强度因子与裂纹尺寸、应力及轮盘结构尺寸的关系如下：
Figure FDA0003641447820000031
其中，X为S4获取的双性能粉末盘特征尺寸、Y为形状因子、σ为通过有限元方法获取的裂纹所在位置应力状态、l为裂纹尺寸。
8.根据权利要求1所述的双性能粉末盘疲劳裂纹扩展寿命计算方法，其特征在于，所述S8中，
双性能粉末盘细晶区中心孔I型疲劳裂纹最深处和裂纹靠近自由表面的应力强度因子表达式：
Figure FDA0003641447820000032
双性能粉末盘粗晶区喉部I型疲劳裂纹最深处和裂纹靠近自由表面的应力强度因子表达式：
Figure FDA0003641447820000033
其中，a为裂纹深度、c为裂纹表面半长、H1为喉部裂纹中心沿轮盘轴向厚度、H2为喉部裂纹中心距轮盘槽底距离、W为轮毂厚度的一半、R为中心孔半径、σ为通过有限元方法获取的裂纹所在位置应力状态。
9.根据权利要求1所述的双性能粉末盘疲劳裂纹扩展寿命计算方法，其特征在于，所述S9包括：获取中心孔与喉部的材料拉伸极限σb1、σb2，此时不同组织区域材料性能差异系数为k＝σb1/σbi(i＝1，2)，通过该系数构建不同分区裂纹扩展速率模型：
Figure FDA0003641447820000041
此时，中心孔疲劳裂纹扩展寿命为
Figure FDA0003641447820000042
喉部疲劳裂纹扩展寿命为
Figure FDA0003641447820000043
式中，l为裂纹尺寸；
X为双性能粉末盘特征尺寸；
Y为形状因子基值；
m1为形状因子结构系数，m1∈[1.5,2]；
m2为形状因子结构指数，m2∈[0.5,0.8]；
m3、m4、m5为形状因子结构系数，m3∈[2,2.5]，m4∈[1,1.3]，m5∈[0.5,0.8]。
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