Параметры сопротивления разрушению имитационной модели диска компрессора
Автор: Яковлев М.М., Яруллин Р.Р., Шлянников В.Н.
Статья в выпуске: 3, 2020 года.
Бесплатный доступ
В статье представлена расчетно-экспериментальная методика определения коэффициентов интенсивности напряжений в имитационной модели диска из титанового сплава. Объектом исследования является диск компрессора низкого давления газотурбинного двигателя (ГТД) Д-36. При эксплуатации данного двигателя было обнаружено, что в радиусном сопряжении паза под рабочую лопатку в месте перехода донышка в боковую поверхность межпазового выступа происходит образование и развитие трещин, которые приводят к отделению части диска в пределах его обода. Трещины распространялись по механизму смешанных форм разрушения. На основе принципов имитационного моделирования была разработана геометрия и схема нагружения имитационной модели диска компрессора. Испытания имитационной модели проведены на двухосной испытательной машине с частотой 5 Гц и коэффициентом асимметрии цикла нагружения Rc = 0,1. Рост трещины контролировался с помощью оптического микроскопа. Критерием разрушения являлось условие достижения растущей трещины компенсационного отверстия. В процессе испытаний были зафиксированы положения и размеры фронтов трещины, которые взяты за основу численного расчета параметров сопротивления разрушению. В порядке численных исследований рассмотрены шесть трехмерных конечно-элементных расчетных схем с различными положениями и размерами фронтов трещины. Результаты численных расчетов на основе метода конечных элементов были использованы для определения распределений упругих и пластических коэффициентов интенсивности напряжений вдоль каждого фронта трещины. Продемонстрированы преимущества расчетно-экспериментальной методики для решения задач интерпретации и прогнозирования развития повреждений во вращающихся дисках турбомашин методами механики разрушения.
Имитационная модель, диск компрессора гтд, трещина, двухосное нагружение, пластический коэффициент интенсивности напряжений
Короткий адрес: https://sciup.org/146282060
IDR: 146282060 | УДК: 620.169.1 | DOI: 10.15593/perm.mech/2020.3.10
Fracture resistance parameters for the compressor disk imitation model
This paper presents a calculation and experimental technique for determining stress intensity factors in an imitation model of a titanium alloy disk. We studied a low-pressure compressor disk of a gas turbine engine (GTE) D-36. During operations, there occur fatigue cracks initiated and developed in the slot fillet under the blade at the place of transition of the bottom to the lateral surface of the inter-groove projection, which lead to a separation of the disk's part within its rim. The mixed-mode crack growth occured in the compressor disks. Based on the principles of imitation modeling, the geometry and loading condition of the imitation model of the compressor disk was developed. The fatigue test of the imitation model was carried out with a frequency of 5 Hz, at room temperature and with stress ratio Rc = 0.1, by means of a biaxial testing machine. The crack growth was monitored using an optical microscope. The criterion for failure was the condition for reaching a growing crack of the compensation hole. During the test, the positions and sizes of the crack fronts were fixed, which are the basis for the numerical calculation of the fracture resistance parameters. In the order of the numerical studies, six three-dimensional finite element models with different positions and sizes of the crack fronts are considered. The results of the numerical calculations based on the finite element method were used to determine the distributions of elastic and plastic stress intensity factors along each crack front. We demonstrated the advantages of the calculation and experimental methods for solving the problems of interpretation and prediction of the crack growth in the rotating disks of turbomachines using the methods of fracture mechanics.
Список литературы Параметры сопротивления разрушению имитационной модели диска компрессора
- Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей: учебник для студентов вузов по специальности «Авиационные двигатели и энергетические установки» / С.А. Вьюнов [и др.]; под ред. Д.В. Хронина. – М.: Машиностроение, 1989. – 368 с.
- Расследование причин катастрофы самолета DC-10, обусловленной разрушением двигателя // Зарубежный опыт. Экспресс-информация № 2. – М.: ЦНТИГА, 1990. – С. 1–7.
- Shanyavsky A.A., Stepanov N.V. Fractographic analysis of fatigue crack growth in engine compressor disks of Ti-6Al3Mo-2Cr titanium alloy // Fatigue Fract. Engng. Mater. Struct. – 1995. – Vol. 18, 5 – P. 539–550.
- Шанявский А.А. Безопасное усталостное разрушение элементов авиаконструкций. Синергетика в инженерных приложениях. – Уфа, 2003. – 803 с.
- Zhuang W.Z. Prediction of crack growth from bolt holes in a disk // Int. J. Fatigue. – 2000. – № 22. – P. 241–250.
- Hou J., Wescott R., Attia M. Prediction of fatigue crack propagation lives of turbine discs with forging-induced initial cracks // Eng. Fract. Mech. – 2014. – № 131. – P. 406–418.
- Residual Life Assessment and Life Cycle Management of Design Life Expired Discs. ASME Proceedings / K. Ashok [et al.] // Manufacturing Materials and Metallurgy. – № GT2009-60352. – Р. 933–939.
- Bnaszkiewicz M. Multilevel approach to lifetime assessment of steam turbines // Int. J. Fatigue. – 2015. – № 73. – Р. 39–47.
- Structural integrity assessment of turbine discs in presence of potential defects: probabilistic analysis and implementation / S. Beretta [et al.] // Fatigue Fract Engng Mater Struct. – 2015. – № 38. – Р. 1042–1055.
- Carter B.J., Wawrzynek P.A., Ingraffae A.R. Automated 3D crack growth simulation // International Journal of Numerical Methods in Engineering. – 2000. – Vol. 47. – P. 229–253. DOI: 10.1002/(SICI)1097-0207(20000110/30)47:1/3-229::AID-NME769 -3.0.CO;2-2
- Timbrell C., Cook G. 3-D FE fracture mechanics analysis for industrial applications. Zentech International Limited, UK. Seminar: “Inelastic finite element analysis”, Institute of Mechanical Engineering, London, 14 October, 1997.
- Dassault Systems Simulia Corp. Abaqus analysis user's manual, Providence, RI, USA, 2011.
- Schollmann M., Fulland M., Richard H.A. Development of a new software for adaptive crack growth simulations in 3D structures // Engineering Fracture Mechanics. – 2003. – Vol. 70 (2). – P. 249–268. DOI: 10.1016/S0013-7944(02)00028-0.
- BEASY. BEASY V10r18 Documentation. C.M. BEASY Ltd., 2016.
- Failure analysis of a gas turbine compressor / G.H. Farrahi [et al.] // Engineering Failure Analysis. – 2011. – № 18. – P. 474–484.
- Barlow K.W., Chandra R. Fatigue crack propagation simulation in an aircraft engine fan blade attachment // International Journal of Fatigue. – 2005. – № 27. – Р. 1661–1668.
- Jianfu Hou, Ron Wescott, Marco Attia. Prediction of fatigue crack propagation lives of turbine discs with forging-induced initial cracks // Engineering Fracture Mechanics. – 2014. – № 131. – P. 406–418.
- Zdzislaw Mazur, Alejandro Hernandez-Rossette. Steam turbine rotor discs failure evaluation and repair process implementation // Engineering Failure Analysis. – 2015. – № 56. – P. 545–554.
- Venanzio G., Michele P., Shlyannikov V. Fatigue crack growth in a compressor stage of a turbofan engine by FEM-DBEM approach // Procedia Structural Integrity. – 2018. – № 12. – P. 404–415.
- Shlyannikov V.N., Iltchenko B.V., Stepanov N.V. Fracture analysis of turbine disks and computational–experimental background of the operational decisions // Eng. Failure Analysis. – 2001. – № 8. – P. 461–475.
- Electro-hydraulic test bench for disks and lock joints of gas turbine engines / L.P. Mekerdichan [et al.] // Strength of turbomachine rotor elements. – Zhytomyr: Zhytomyr Regional Printing House. – 1981. – P. 35.
- Shlyannikov V.N., Yarullin R.R., Ishtyryakov I.S. Failure analysis of an aircraft GTE compressor disk on the base of imitation modeling principles // Procedia Structural Integrity. – № 18. – P. 322–329. DOI: 10.1016/j.prostr.2019.08.172
- Shlyannikov V.N., Ishtyryakov I.S. Crack growth rate and lifetime prediction for aviation gas turbine engine compressor disk based on nonlinear fracture mechanics parameters // Theoret. Appl. Fract. Mech. – 2019. – № 103. DOI: 10.1016/j.tafmec.2019.102313
- Evaluation of stress state and damage sensitivity equivalence of rotating discs in testing on multiaxial electrohydraulic stand / N.V. Stepanov [et al.] // Soviet Aeronautics. – 1985. – № 28, 2. – P. 120–123.
- Residual life prediction of power steam turbine disk with fixed operating time / B.V. Ilchenko [et al.] // Proceedings of 19th European Conference on Fracture. – 2012. – P. 1–8.
- Shlyannikov V.N. T-stress for crack paths in test specimens subject to mixed mode loading // Eng. Fract. Mech. – 2013. – № 108. – P. 3–18. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2013.03.011
- Chang J., Xu J., Mutoh Y. A general mixed-mode brittle fracture criterion for cracked materials // Engng. Fract. Mech. – 2006. – № 73. – P. 1249–63. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2005.12.011
- Rigby R.H., Aliabadi M.H. Decomposition of the mixedmode J-integral – Revisited // Int. Journ. Solid Struct. – 1998. – № 17. – P. 2073–2099. DOI: 10.1016/S0020-7683(97)00171-6
- Hutchinson J.W. Singular behaviour at the end of a tensile crack in a hardening material // J. Mech. Phys. Solids. – 1968. – № 16. – P. 13–31. DOI: 10.1016/0022-5096(68)90014-8
- Hutchinson J.W. Plastic stress and strain fields at a crack tip // J. Mech. Phys. Solids. – 1968. – № 16. – P. 337–347. DOI: 10.1016/0022-5096(68)90021-5
- Shih C.F. Small-scale yielding analysis of mixed mode plane-strain crack problems // ASTM STP. – 1974. – № 560. – P. 187–210. DOI: 10.1520/STP33141S
- Shlyannikov V.N., Tumanov A.V. Characterization of crack tip stress fields in test specimens using mode mixity parameters // Int J Fract. – 2014. – № 185. – P. 49–76. DOI: 10.1007/s10704-013-9898-0
- ANSYS. (2009). Theory Reference for the Mechanical APDL and Mechanical Applications. Release 12.0. Available at: http://dl.mycivil.ir/reza/ans_thry.pdf.
- Басов К. А. ANSYS: справочник пользователя. – М.: ДМК Пресс, 2005. – 640 с.
- Захаров А.П., Шлянников В.Н., Иштыряков И.С. Пластический коэффициент интенсивности напряжений в задачах механики разрушения // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2019. – № 2. – С. 100–115. DOI: 10.15593/perm.mech/2019.2.08
