Определение критической плоскости и оценка усталостной долговечности при различных режимах циклического нагружения

Определение критической плоскости и оценка усталостной долговечности при различных режимах циклического нагружения

Автор: Никитин И.С., Бураго Н.Г., Никитин А.Д., Якушев В.Л.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 4, 2017 года.

Бесплатный доступ

Получены аналитические решения для определения ориентации критической плоскости развития усталостных повреждений при циклическом нагружении для многоосного напряженного состояния. Рассмотрены случаи синфазного и противофазного циклического нагружения для классического диапазона усталости (малоцикловая и многоцикловая усталость). Предложены обобщения критерия усталостного разрушения Финдли с учетом ориентации критической плоскости для режима сверхмногоцикловой усталости при синфазной и противофазной циклической многоосной нагрузке. Эти обобщения основаны на подобии левой и правой ветвей бимодальной усталостной кривой. Описана процедура определения параметров обобщенного критерия по данным двух одноосных усталостных испытаний на растяжение-сжатие при различных коэффициентах асимметрии цикла. Напряженное состояние компрессорного диска газотурбинного двигателя рассчитано методом конечных элементов для малоцикловой усталости (полетные циклы нагружения) и для сверхмногоцикловой усталости (вибрации лопаток). Для малоцикловой усталости учитывается влияние аэродинамических, центробежных и контактных нагрузок для контактной системы диска и лопаток. Для сверхмногоцикловой усталости рассчитаны дополнительные напряжения, вызванные высокочастотными крутильными колебаниями лопаток. В обоих случаях определена зона концентрации напряжений в окрестности контакта диска и лопаток, в которой происходит зарождение усталостной поврежденности. Полученные распределения напряжений и предложенные обобщения критериев усталостного разрушения использовались для получения оценок долговечности диска для малоцикловой и сверхмногоцикловой усталости. Численный анализ показал, что расчетные долговечности в реальном времени с учетом характерного периода цикла для рассмотренных режимов усталости могут быть достаточно близкими. Поэтому в прогнозах безопасного срока эксплуатации необходимо учитывать оба механизма усталости.

Еще

Циклическое нагружение, усталостное разрушение, критерий для многоосного напряженного состояния, критическая плоскость, малоцикловая усталость, сверхмногоцикловая усталость, долговечность элемента конструкции

Короткий адрес: https://sciup.org/146211703

IDR: 146211703   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2017.4.15

Список литературы Определение критической плоскости и оценка усталостной долговечности при различных режимах циклического нагружения

  • 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.
  • 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.
  • Ying-Yu Wang, Wei-Xing Yao. Evaluation and comparison of several multiaxial fatigue criteria//Int. J. of Fatigue. -2004. -Vol. 26. -P. 17-25.
  • Investigation of multiaxial fatigue in the prospect of turbine disc applications: Part II -Fatigue criteria analysis and formulation of a new combined one/V. Bonnand, J.L. Chaboche, H. Cherouali, P. Kanoute, E. Ostoja-Kuczynski, F. Vogel//Proceedings the 9-th Intern. Conf. of Multiaxial Fatigue and Fracture (ICMFF9) -Italy, Parma, 2010. -P. 691-698.
  • 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.
  • Matake T. An explanation on fatigue limit under combined stress//Bull JSME. -1977. -Vol. 20. -P. 257 -263.
  • McDiarmid D.L. A shear stress based critical-plane criterion of multiaxial fatigue failure for design and life prediction//Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. -1999. -Vol. 17. -P. 1475-1484.
  • Morel F. A critical plane approach for life prediction of high cycle fatigue under multiaxial variable amplitude loading//Int. J. of Fatigue. -2000. -Vol. 22. -No 2. -P. 101-119.
  • A comparative study of multiaxial high-cycle fatigue criteria for metals/I.V. Papadopoulos, P. Davoli, C. Gorla, M. Filippini, A. Bernasconi//Int. J. of Fatigue. -1997. -Vol. 19. -No. 3. -P. 219-235.
  • Papadopoulos I.V. Long life fatigue under multiaxial loading//Int. J. of Fatigue. -2001. -Vol. 23. -P. 839-849.
  • Susmel L., Taylor D. A critical distance/plane method to estimate finite life of notched components under variable amplitude uniaxial/multiaxial fatigue loading//Int. J. of Fatigue. -2012. -Vol. 38. -P. 7-24.
  • Expected position of the fatigue fracture plane by using the weighted mean principal Euler angles/A. Carpinteri, A. Karolczuk, E. Macha, S. Vantadori//Int. J. of Fatigue. -2002. -Vol. 115. -P. 87-99.
  • Carpinteri A., Spagnoli A., Vantadori S. Multiaxial assessment using a simplified critical plane-based criterion//Int. J. of Fatigue. -2011. -Vol. 33. -P. 969-976.
  • Fatemi A., Socie D.F. A critical plane approach to multiaxial damage including out-of-phase loading//Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. -1988. -Vol. 11. -No 3. -P. 149-166.
  • 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.
  • Collins J.A. Failure of Materials in Mechanical Design: Analysis, Prediction, Prevention. -New York, John Wiley, 1993. -654 p.
  • Шанявский А.А. Моделирование усталостных разрушений металлов. -Уфа: Монография, 2007. -498 с.
  • Bourago N.G., Zhuravlev A.B., Nikitin I.S. Models of multiaxial fatigue fracture and service life estimation of structural elements//Mechanics of Solids. -2011. -Vol. 46. -No. 6. -P. 828-838.
  • 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.
  • Bathias C., Paris P.C. Gigacycle Fatigue in Mechanical Practice. -New York, Dekker, 2005.
  • Marines I., Bin X., Bathias C. An understanding of very high cycle fatigue of metals//Int. J. of Fatigue. -2003. -Vol. 25 -P. 1101-1107.
  • Mughrabi H. Specific features and mechanisms of fatigue in the ultrahigh-cycle regime//Int. J. of Fatigue. -2006. -Vol. 28. -P. 1501-1508.
  • Bathias C. Piezoelectric fatigue testing machines and devises//Int. J. of Fatigue. -2006. -Vol. 26. -P. 1438-1445.
  • Nikitin A., Palin-Luc T.,Shanyavskiy A., Bathias C. Fatigue behavior of titanium alloy Ti-6Al-4Mo in biffurcation area at 20 kHz//Proceeding of ECF-19 conference. -Russia: Kazan, 2012.
  • Никитин А.Д., Никитин И.С. Экспериментальное исследование сверхмногоцикловой усталости титановых сплавов//Наукоемкие технологии. -2015. -№ 7. -С. 51-58.
  • Nikitin A., Palin-Luc T., Shanyavskiy A. Crack initiation in VHCF regime on forged titanium alloy under tensile and torsion loading modes//Int. J. of Fatigue. -2016. -Vol. 93. -P. 318-325.
  • Fatigue properties of carburised alloy steel in very high cycle regime under torsion loading/H. Ishii, K. Tohgo, T. Fujii, T. Yagasaki, M. Harada, Y. Shimamura, K. Narita//Int.J. of Fatigue. -2014. -Vol. 60. -P. 57-62.
  • Nikitin A., Bathias C., Palin-Luc T. A new piezoelectric fatigue testing machine in pure torsion for ultrasonic gigacycle fatigue tests: application to forged and extruded titanium alloys//Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. -2015. -Vol. 38. -P. 1294-1304.
  • Stanzl-Tschegg S.E., Mayer H.R., Tschegg E.K. High frequency method for torsion fatigue testing//Ultrasonics. -1993. -Vol. 31. -No. 4. -P. 275-280.
  • Демьянушко И.В., Биргер И.А. Расчет на прочность вращающихся дисков. -М: Машиностроение, 1978. -247 с.
  • Костюк А.Г. Динамика и прочность турбомашин. -М.: Изд. дом 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.
  • 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. -UK. Manchester, 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//Proceeding of ECF-19 conference. -Russia: Kazan, 2012.
  • Bourago N.G., Kukudzhanov V.N. A review of contact algorithms//Mechanics of Solids. -2005. -Vol. 40. -No. 1. -P. 35-71.
  • Кукуджанов В.Н. Вычислительная механика сплошных сред. -М.: Физматлит, 2006. -320 с.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp