Анизотропия усталостных свойств материала и ее влияние на долговечность элементов конструкции
Автор: Бураго Н.Г., Никитин И.С., Юшковский П.А., Якушев В.Л.
Статья в выпуске: 4, 2016 года.
Бесплатный доступ
В работе предложено обобщение критерия многоосного усталостного разрушения на случай сплава со структурной анизотропией усталостных свойств. В основе этого обобщения лежит замена второго инварианта девиатора напряжений, входящего в критерий, на функцию Хилла, предложенную им для описания анизотропной пластичности металлов. Эффект зависимости пределов усталости от оси нагружения при одноосных усталостных испытаниях образцов с текстурой отмечен в различных источниках. Соответствующая текстура, как правило, наводится в технологических процессах изготовления полуфабрикатов (в первую очередь - прокатки). Разработан метод экспресс-расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) упругого кольцевого диска переменной толщины (диска компрессора газотурбинного двигателя). Циклический режим нагружения определяется полетными циклами и соответствует режиму малоцикловой усталости. С помощью упрощающих гипотез о зависимости решения от координат по толщине диска и в окружном направлении выведена система обыкновенных дифференциальных уравнений для расчета радиального распределения напряжений и смещений в диске переменной толщины. Предложена и реализована численная процедура решения полученных систем обыкновенных дифференциальных уравнений, основанная на методе ортогональной прогонки. На основе предложенного критерия многоосного усталостного разрушения с параметрами титанового сплава и результатов расчета НДС получены распределения долговечности вращающегося диска компрессора газотурбинного двигателя под действием центробежных нагрузок в диске и лопатках. Определены опасные сечения, зоны и сроки зарождения усталостного разрушения в диске с учетом влияния анизотропии усталостных свойств. Путем численного моделирования обнаружено существенное падение долговечности в окрестности обода диска.
Усталостная прочность, анизотропия усталостных свойств, напряженно-деформированное состояние, диск переменной толщины, циклическое нагружение, ряды фурье
Короткий адрес: https://sciup.org/146211655
IDR: 146211655 | УДК: 539.3 | DOI: 10.15593/perm.mech/2016.4.05
Anisotropy of material fatigue properties and its effect on durability of structural elements
The generalization of the criterion of multiaxial fatigue failure is proposed for the case of the alloy with the anisotropy of fatigue properties. The second invariant of stress deviator is replaced by the Hill’s function that is usually used to describe anisotropic plasticity of metals. In various studies the dependence of fatigue limit on the axis of loading is investigated for samples with texture at uniaxial fatigue tests. The texture is typically induced during manufacturing semi-finished products (primarily - in rolling). In present study we develop a method for express calculation of stress-strain state (SSS) for the elastic annular disk of variable thickness (disk of the gas turbine engine compressor) for the mode of low-cycle fatigue (flight cycles). Simplified representations are used for dependence of solution on coordinates along the disk thickness (the power series) and in the circumferential direction (the Fourier series). For the radial distribution of stresses and displacements the systems of ordinary differential equations have been derived and solved by the orthogonal sweep method. Proposed criteria of multiaxial fatigue and results are used to calculate the distributions of fatigue durability for typical disk of gas turbine taking into account the centrifugal forces. Location and time to appearance of fatigue failure zones determined accounting the influence of the anisotropy of fatigue properties. The calculations indicated that the significant decrease of the fatigue durability is in the vicinity of the disk rim.
Список литературы Анизотропия усталостных свойств материала и ее влияние на долговечность элементов конструкции
- Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях. Анализ. Предсказание. Предотвращение. -М.: Мир. 1984. -624 с.
- Fatigue testing and analysis. (Theory and Practice)/Y.-L. Lee, J. Pan, R.B. Hathaway, M. Barkey. -Elsevier B-H. Oxford, 2005. -402 p.
- Meggiolaro M.A., Miranda A.C., de Castro J. Comparison among fatigue life prediction methods and stress-strain models under multiaxial loading//Proceedings of 19th Int. Congress of Mech. Eng. -Brasilia, DF, 2007.
- Kallmeyer A.R., Krgo A., Kurath P. Evaluation of multiaxial fatigue life prediction methodologies for Ti-6Al-4V//ASME J. Eng. Mater. Technol. -2002. -Vol. 124. -P. 229-237.
- Бураго Н.Г., Журавлев А.Б., Никитин И.С. Анализ напряженного состояния контактной системы «диск-лопатка» газотурбинного двигателя.//Вычислительная механика сплошных сред. -2011. -Т. 4, № 2. -С. 5-16.
- Аэроупругий анализ элементов конструкции компрессора/Н.Н. Беклемишев, Н.Г. Бураго, А.Б. Журавлев, И.С. Никитин//Вестн. Моск. авиац. ин-та (национального исследовательского университета). -2011. -T. 18, № 5. -С. 3-22.
- Бураго Н.Г., Никитин И.С., Юшковский П.А. Долговечность дисков переменной толщины с учетом анизотропии усталостных свойств//Изв. РАН. МТТ. -2015. -№ 5. -С. 78-93.
- Бураго Н.Г., Журавлев А.Б., Никитин И.С. Модели многоосного усталостного разрушения и оценка долговечности элементов конструкций//Изв. РАН. МТТ. -2011. -№ 6. -С. 22-33.
- Шанявский А.А. Моделирование усталостных разрушений металлов. -Уфа: Монография, 2007. -498 с.
- Топоров Д.В., Ильченко Б.В., Яруллин Р.Р. Характеристики статической и малоцикловой прочности критических зон диска турбины//Труды Академэнерго. -2010. -№ 2. -С. 79-88.
- Shlyannikov V.N., Yarullin R.R., Gizzatullin R.Z. Structural integrity prediction of turbine disk on a critical zone concept basis//Proceedings of 11th International Conference on Engineering Structural Integrity Assessment. ESIA11. -Manchester UK, EMAS Publishing, 2011. -P. 1-10.
- Residual life prediction of power steam turbine disk with fixed operating time/B.V. Ilchenko, R.R. Yarullin, A.P. Zakharov, R.Z. Gizzatullin//Proceedings of 19th European Conference on Fracture. ECF19. -Kazan, Russia, 26-31 Aug. -2012. -P. 1-8.
- Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. -М.: ВИЛС-МАТИ, 2009. -520 с.
- Горынин И.В., Чечулин Б.Б. Титан в машиностроении. -М.: Машиностроение, 1990. -400 с.
- Развитие текстуры в -титановых сплавах/Соммер А., Кригер М., Фудзисиро С., Айлон Д.//Титан. Металловедение и технология: тр. 3-й Междунар. конф. по титану. -М.: ВИЛС, 1978. -Т. 3. -С. 87-96.
- Marmi A.K., Habraken A.M., Duchene L. Multiaxial fatigue damage modeling at macro scale of Ti6Al4V alloy//Int. J. of fatigue. -2009. -Vol. 31. -P. 2031-2040.
- Marmi A.K., Habraken A.M., Duchene L. Multiaxial fatigue damage modeling of Ti6Al4V alloy//Proc. 9 Int. Conf. of Multiaxial Fatigue and Fracture (ICMFF9). -Italy, Parma, 2010. -P. 559-567.
- Хилл Р. Математическая теория пластичности. -М.: Гос. изд-во техн.-теорет. Лит., 1956. -407 с.
- Sines G. Behavior of metals under complex static and alternating stresses. -Metal fatigue. -McGraw-Hill, 1959. -P. 145-169.
- Crossland B. Effect of large hydrostatic pressures on torsional fatigue strength of an alloy steel//Proc. Int. Conf. on Fatigue of Metals. -London, 1956. -P. 138-149.
- Findley W. A theory for the effect of mean stress on fatigue of metals under combined torsion and axial load or bending//J. of Eng. for Indust. -1959. -P. 301-306.
- Биргер И.А. Стержни, пластины, оболочки. -М.: Физматлит, 1992. -392 с.
- Биргер И.А., Мавлютов Р.Р. Сопротивление материалов. -М.: Наука, 1986. -560 с.
- Костюк А.Г. Динамика и прочность турбомашин. -М.: Изд-во МЭИ, 2007. -476 с.
- Иноземцев А.А., Нихамкин М.А., Сандрацкий В.Л. Динамика и прочность авиационных двигателей и энергетических установок. -М.: Машиностроение, 2008. -204 с.
- Новацкий В. Теория упругости. -М.: Мир, 1975. -872 с.
- Демьянушко И.В., Биргер И.А. Расчет на прочность вращающихся дисков. -М: Машиностроение, 1978. -247 с.
- Годунов С.К., Рябенький В.С. Разностные схемы. -М.: Наука, 1973. -400 с.
- Кукуджанов В.Н. Вычислительная механика сплошных сред. -М.: Физматлит, 2006. -320 с.
- Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. -М.: Наука, 1987. -600 с.
