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题目:激光冲击强化结构疲劳寿命分析

关键词:激光冲击强化;残余应力场;数值模拟;优化设计;疲劳寿命分析

  摘要


航空发动机由于工作环境苛刻,导致其中零部件的疲劳问题严重。因此,激光冲击强化(LSP)作为一项新型的表面处理技术,在航空发动机上具有广阔的应用前景。本文基于残余应力对疲劳寿命的影响机制,进行了激光冲击强化数值模拟,探讨了几个冲击参数对残余应力场分布的影响,实现了参数的优化设计,基于考虑残余应力修正的疲劳寿命预测模型,预测了激光冲击强化后某型航空发动机Ⅱ级涡轮盘榫接部位疲劳寿命,取得的主要研究成果如下:

利用ANSYS/LS-DYNA软件对钛合金进行了激光冲击强化数值建模,模拟结果与已有实验结果较吻合。针对模拟过程中几个关键问题进行了讨论。假设各个参数互不影响时,对峰值压力、脉冲宽度、光斑尺寸和冲击次数对残余应力场分布的影响分别进行了研究,结论如下:残余压应力随着峰值压力的增加而增加,但是峰值压力增加到一定值时,材料塑性变形趋于饱和,残余应力不再增加;峰值压力较大时,残余应力分布会出现“残余应力洞”现象,光斑中心处残余压应力较小,甚至会出现残余拉应力;残余压应力层深度随着峰值压力的增加而一直增加。随着脉宽增加,材料表面残余压应力出现先增加后减小的趋势,而残余压应力层深度是一直增加的。光斑尺寸增加使材料表面残余压应力和残余压应力层深度增加。随着冲击次数增加,残余压应力值及残余压应力层深度都会逐渐增加,但是增加幅度会逐渐减小。

利用ISIGHT软件实现了激光冲击强化参数的优化分析,并对优化设计过程中的目标函数、约束条件及设计变量的确定进行了重点探讨,最后对设计变量进行了灵敏度分析。

对某型航空发动机涡轮盘榫接部位进行了激光冲击强化数值模拟,针对建模中的难点进行了分析,基于考虑残余应力修正的寿命预测模型,对疲劳寿命进行了预测与分析,证明了激光冲击强化处理对结构疲劳寿命有改善。