● 摘要
随着航空发动机性能的提升，航空发动机热端部件尤其是涡轮高压转子叶片的工作条件更加恶劣，航空发动机的寿命很大程度上取决于涡轮高压转子叶片的寿命。镍基单晶高温合金由于其优良的高温抗疲劳、抗蠕变性能，被世界各国广泛应用于先进航空发动机涡轮高压转子叶片的研制中。因而，研究该材料的本构模型，并在此基础上对采用该材料的涡轮转子叶片的在真实工作状态下的寿命预估，对确保先进发动机的成功研制和安全可靠工作具有重要意义。与涡轮叶片传统采用的高温合金不同，镍基单晶由于其正交各向异性的特性，其研究和利用具有相当的难度。因此必须研究适用于镍基单晶各向异性的本构模型。本文采用基于Walker统一本构模型的方法，引入一个四阶张量来模拟单晶材料的正交各向异性，引入损伤变量来计算单晶材料构件的寿命。由于热机械疲劳寿命分析需要结合试验结果进行，本文同时对热机械疲劳试验系统进行了研究和描述，为今后进一步开展单晶涡轮叶片热机械疲劳试验打下基础。通过ANSYS软件的二次开发工具，将统一本构模型与有限元技术相结合，用热结构耦合分析模拟叶片的实际工作情况，对等温低循环疲劳、小孔平板结构以及某型航空发动机涡轮叶片进行了寿命分析，结果证明，本文的方法可以很好的模拟单晶材料特性并进行相关构件寿命分析。