题目：定向凝固涡轮叶片先进应力应变分析方法及低循环疲劳寿命研究

摘 要本论文研究了某型航空发动机高压涡轮转子叶片材料DZ125合金的综合力学性能，并且建立各向异性粘塑性本构模型用来模拟DZ125合金的在复杂载荷条件下的力学响应。本论文还完成DZ125合金光滑试样和典型的小孔构件的疲劳/保载试验，建立DZ125合金的疲劳/保载寿命预测模型。最终通过有限元方法计算某型航空发动机高压涡轮转子叶片在典型载荷谱下的应力应变响应，进行涡轮转子叶片强度寿命分析。为了对DZ125定向凝固涡轮转子叶片进行强度寿命分析，必须能够描述DZ125合金在高温复杂载荷条件下的力学变形特征。目前，关于定向凝固合金DZ125晶向相关的高温循环力学特性试验和理论研究，还比较欠缺，特别是不同取向条件下的非对称循环变形特征研究和本构建模。本论文针对航空发动机涡轮转子叶片的典型载荷特点，较为系统地对DZ125合金在高温下晶向相关的对称循环和非对称循环变形进行了试验研究，对试验现象进行分析，并通过对各向同性粘塑性本构理论向各向异性材料的扩展，进行了材料变形行为的本构建模。关于定向凝固合金粘塑性本构模型的研究，一般采用两种框架体系描述：基于唯象的方法和基于细观微结构的方法。基于唯象的方法是传统连续介质力学的延伸，特别是先进的粘塑性本构理论向各向异性材料的延伸。它主要是在原有唯象的各向同性粘塑性本构模型中，引入四阶正交各向异性张量来描述单晶/定向凝固合金的各向异性特性。四阶正交各向异性张量最初是由Swanson 和 I. Liask等人在Walker粘塑性本构模型中引入。对于定向凝固合金，由于制造的原因，材料横向晶粒方向和数量的不确定性，直接采用细观微结构的方法建模有相当的困难。考虑到工程分析中需要理论清晰易懂，便于与目前的分析方法和工具相结合的模型。加之Chaboche本构模型已经被证实在描述粘塑性循环变形特征时具有良好的精度和扩展性，因此本论文采用扩展唯象的Chaboche粘塑性本构模型的方法，来建立定向凝固合金的各向异性粘塑性本构模型。航空发动机涡轮叶片由于存在复杂的空腔和气膜冷却小孔，这种由小孔造成的孔边应力集中、多轴应力状态、孔周边由于制造工艺产生的微裂纹，对涡轮叶片的疲劳过程起着关键性的作用。目前，关于DZ125合金低循环/保载疲劳寿命研究还不充分，尤其关于DZ125合金光滑试样疲劳试验寿命与小孔构件疲劳试验寿命关系的研究还未开展。本论文基于定向凝固合金DZ125光滑试样与小孔构件试样的低循环/保载疲劳寿命试验研究，提出了一种预测定向凝固合金低循环/保载疲劳的寿命模型，并且提出从光滑试样寿命数据预测小孔构件低循环/保载疲劳寿命的方法。本论文还进行了涡轮转子叶片电磁感应加热试验温度场模拟的研究。介绍了涡轮叶片的TMF试验，此试验很关键的一步是要保证试验的温度场和涡轮叶片工作状况下温度场相近。本文采用电磁感应耦合对流换热的方法模拟涡轮叶片TMF试验的加热过程，并且耦合机械载荷，计算得到试验过程中的应力应变场和温度场。最后进行了定向凝固合金涡轮转子叶片的强度和寿命分析。根据涡轮叶片的典型载荷谱，采用各向异性粘塑性本构模型进行有限元计算，对计算过程中涡轮叶片存在的危险点进行分析，最终确定涡轮转子叶片的载荷谱寿命。