● 摘要
热端部件作为航空燃气涡轮发动机承受载荷最严酷的关键结构系统，对其进行寿命和可靠性评估具有重要的工程意义。在发动机工作过程中, 涡轮转子部件处于高温环境下, 除承受离心载荷、气动载荷外, 还要承受较高温度及其梯度引起的热应力。因此，航空发动机热端部件的寿命预测和可靠性分析就成为非常重要的工作。目前的寿命理论和预测模型大多是在确定性方法的基础上建立和发展起来的，已经不能适应高性能、高可靠性航空发动机结构强度设计发展的需要，因此发展涡轮部件，特别是涡轮盘的概率寿命分析方法是十分必要的。首先，考虑涡轮盘用高温合金循环应力应变性能的分散性，将Ramberg-Osgood方程概率化，推导出循环应力应变的概率本构模型；利用材料手册中GH4169合金的数据，对模型进行了验证；结果表明带概率和置信度的概率循环本构模型能够描述材料循环应力应变固有的分散性；其次，利用Weibull分布函数，推导了存活率与部件寿命可靠性之间的广义Weibull概率寿命关系，并利用等温等厚度圆盘为对象，进行了算例验证。分别研究了轮盘半径，厚度与载荷的影响，分析了各因素对轮盘不同部位疲劳寿命以及存活率的影响；然后，建立了某型发动机真实涡轮盘有限元模型，进行了应力应变计算，分析研究了涡轮盘不同区域径向和周向应力应变的分布特点，为进行轮盘寿命可靠性分析提供数据基础；最后，在MSC.MARC环境下进行了二次开发，编制了用户子程序PLOTV，将应力应变有限元计算结果与概率寿命模型相结合，对涡轮盘的寿命分布和存活率进行了计算和分析，主要包括单元损伤、寿命及轮盘不同部位的存活率，并得到了整个轮盘在90%存活率下的疲劳寿命。