● 摘要
随着航空发动机性能的提升，涡轮叶片工作环境更加恶劣，使得涡轮叶片的强度问题异常突出，现代航空发动机越来越多地采用了镍基单晶高温合金用于涡轮盘和叶片的制造。与传统铸造多相镍基高温合金相比，镍基单晶合金表现出很优异的高温抗疲劳蠕变性能以及其它一些拉伸/压缩特性，因此对单晶合金拉伸/压缩及循环、蠕变载荷下力学行为的研究就显得十分必要。由于消除了晶界的影响，单晶合金表现出很强的材料各向异性，导致了单晶材料力学性能严重的晶体取向相关性，所以应该建立相应的本构模型综合考虑这些因素对材料力学性能造成的影响。针对单晶合金拉伸和蠕变的率相关、方向相关等特殊力学行为，参照Maclachlan所提出的方法，开展了基于晶体塑性和变形机理的单晶合金本构建模研究。介绍了由应变衡量的损伤张量、微观滑移系上流动法则和演化方程，给出(110)[111] 和 (112)[111]不同类型滑移系的开动法则和相互影响作用。推导了收敛速度较快的隐式数值算法，应用有限元方法对DD3和CMSX-4单晶合金进行计算验证，研究结果表明模型可以较好的建模单晶合金拉伸和蠕变力学行为。通过MSC.Marc用户子程序Hypela2，把该模型结合进了大型商用有限元程序，接下来将该程序用于某型航空发动机涡轮叶片的蠕变计算，得到该涡轮叶片的应力应变分布，并对其中危险点进行了分析，从而验证该本构方程对于复杂结构的可考性和适用性。