Научные статьи \ Математика. Естественные науки \ Физика \ Строение материи \ Механика деформируемых тел. Упругость. Деформация

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   |   УДК: 539.3   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2017.4.15

Determination of the critical plane and assessment of fatigue durability under various cyclic loading regimes

Analytical solutions are obtained to determine the critical plane orientation for multiaxial stress state. This critical plane is the plane of development of fatigue damage under cyclic loading. The cases of in-phase and antiphase cyclic loadings are considered for the classical fatigue range (low-cycle and high-cycle fatigue). Generalizations of the Findley fatigue criterion are proposed taking into account the orientation of the critical plane for modes of very-high-cycle fatigue under in-phase and antiphase cyclic multiaxial loadings. These generalizations are based on the similarity of the left and right branches of the bimodal fatigue curve. The procedure aimed at determining the parameters of the generalized criterion is described according to the data of two uniaxial fatigue tests for tension-compression at various coefficients of the cycle asymmetry. The stressed state of the compressor disk of the gas turbine engine are calculated by the finite element method for a low-cycle fatigue (take off-flight-landing cycles) and for very-high-cycle fatigue (vibrations of blades). For low-cycle fatigue the effect of aerodynamic, centrifugal and contact loads for the contact system of disk, blades, fixing pins and shroud are taken into account. For very-high-cycle fatigue the additional stresses due to high-frequency torsional vibrations of blades and shroud are calculated. In both cases, a stress concentration zone was defined in the vicinity of the contact between the disc and the blades, in which the fatigue damage originates. The distribution of stresses and the proposed generalizations of the fatigue fracture criteria were used to obtain estimates of disk durability for both low-cycle fatigue and very-high-cycle fatigue modes. Numerical analysis showed that real time durability for the considered fatigue modes can be very close taking into account the characteristic cycle period. Therefore, in predictions of a safe operation life both mechanisms of fatigue must be taken

Еще

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
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp