Параметры сопротивления разрушению имитационной модели диска компрессора

Параметры сопротивления разрушению имитационной модели диска компрессора

Автор: Яковлев М.М., Яруллин Р.Р., Шлянников В.Н.

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

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.

Еще

Имитационная модель, диск компрессора гтд, трещина, двухосное нагружение, пластический коэффициент интенсивности напряжений

Короткий адрес: https://sciup.org/146282060

IDR: 146282060   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2020.3.10

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