К вопросу о выборе эквивалентного натружения стандартных гладких образцов для определения мало цикловой долговечности основных деталей ГТД

УДК 620.172

К ВОПРОСУ О ВЫБОРЕ ЭКВИВАЛЕНТНОГО НАГРУЖЕНИЯ

СТАНДАРТНЫХ ГЛАДКИХ ОБРАЗЦОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАЛОЦИКЛОВОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ ГТД

© 2006 А.М. Портер, Г.П. Матвеенко, С.А. Букатый, А.Л. Хохрин

ОАО «Научно-производственное объединение «Сатурн», г. Рыбинск

Изложены результаты апробирования методики определения малоцикловой долговечности деталей ГТД по результатам испытаний стандартных гладких образцов на основе использования характеристик интенсивности размаха деформаций цикла нагружения.

Малоцикловая усталость (МЦУ) определяет долговечность основных деталей ГТД и, следовательно, надежность и ресурс всего двигателя. Расчетно-экспериментальный метод определения ресурса, основанный на использовании кривых МЦУ, предполагает, что механизм накопления повреждений в гладких образцах и в зонах концентрации напряжений и деформаций основных деталей (ОД) одинаков. Однако, результаты экспериментальных исследований [1] свидетельствуют о значительном расхождении (превышении) фактической долговечности натурных деталей и стандартных круглых образцов. Одной из причин такого расхождения является существенное отличие не только по размерам, но и по однородности напряженно-деформированного состояния (НДС) области с максимальными напряжениями в гладких образцах и в зонах концентрации напряжений ОД. При этом циклы деформаций в зонах концентрации напряжений ОД приближаются к условиям жесткого нагружения.

Известно, что МЦУ деталей существенно зависит от пластических свойств материала и образование трещин в какой-либо локальной зоне происходит после исчерпания способности материала пластически деформироваться. Поэтому в данной работе рассматривается решение проблемы прогнозирования долговечности ОД на основе использования характеристики интенсивности размаха деформаций цикла нагружения.

На основе анализа НДС детали при рабочих и экстремальных условиях эксплуатации выявляют критические области с наибольшей по величине концентрацией напряжений и деформаций. На основе ре-

шения упруго-пластической задачи (например , в пакете АКБУБ) определяют максимальные значения, размахи главных дефор -маций и коэффициент асимметрии цикла с разделением деформаций на упругую и пластическую составляющие. Затем вычисляют для обеих составляющих интенсивности размахов деформаций:

Ае, (Ае - Ае2)2 +(Ае2 - Ае-)2 +(Ае - Ае )2.

Чтобы получить величину эквивалентного размаха продольной деформации при одноосном напряженном состоянии выразим соответствующие размахи деформаций в направлении главных осей:

Ае1 = е, Ае2 = Ае3 =-тАех =-тАе ,

где т_ коэффициент Пуассона.

Подставляя эти выражения в формулу

для Ае. , получаем

>/2 I 2 2 2

Ае1 =— т/Ае(1 + т) + 0 + Ае(1 + т) = Ае—.

Следовательно,

3

Ає-

Ає .

2

Тогда, учитывая, что при пластической деформации 0,5 , величину эквивалентного размаха продольной деформации для стандартных образцов можно представить следующим образом:

3

Ає =

Аєу + А є",

2

где Ае АеП - соответственно упругая и пластическая составляющие интенсивности р аз маха дефор маци й.

Искомую долговечность детали определяют по найденной Ае и кривой МЦУ, по-

строенной по результатам испытаний гладких стандартных образцов. В соответствии с рекомендациями ЦИАМ эта деформация Лє может быть использована при определении долговечности деталей по формуле Мэнсона [2].

Апробацию данной методики проводили на натурных образцах-сегментах (рис. 1), вырезанных из ободной части дисков 4 ступени ТНД. Одним из наиболее нагру-женных и опасных мест дисков является дно впадины замка, являющееся концентратором напряжений и деформаций.

Поэтому в качестве нагружения был выбран изгиб, при котором создавалось напряженно-д ефор мир ованное состояние

материала дна, максимально приближенное к реальным условиям. Размеры образцов, схема и устройство для их нагружения показаны на рис.2 и 3.

Расчет НДС образца проводился на основе объёмной конечно-элементной модели состоящей из 8-ми узловых объёмных элементов (80ЬГО45). Центральная часть елочного паза, показанная на рис.4, разбита

20-ти узловыми объёмными элементами (80ЬГО95). Общее количество элементов составило 144800 шт. При дальнейшем уменьшении размеров элементов существенного изменения результатов расчета НДС образца не происходило.

На рис.5 приведено распределение интенсивности деформаций по центральному сечению паза. Расчеты показывают, что при указанной выше схеме нагружения максимальные напряжения действуют в центральной части дна паза образца. При этом зона образования трещины, полученной при испытаниях натурных образцов обода диска, и данные анализа случаев обнаружения трещин по дну паза в дисках ТНД в процессе эксплуатации совпали с расчетной зоной максимальных напряжений.

Испытания натурных образцов проводились при мягком цикле нагружения (т.е. при Р=сопб1;) на установке МТБ-322 мощностью (с максимальным усилием) 250 кН.

Рис.3. Устройство для нагружения

Рис.4. Разбивка центрального паза

Рис.5. Распределение интенсивности деформаций

В процессе нагружения образцов постоянной нагрузкой осуществлялось измерение их прогибов. Для удобства анализа результатов зависимость текущих прогибов а, от количества циклов N отображается в

/а,

ср

где

относительных величинах /=аі

На рис.6 показана типичная

а

ср

п і =1

а

зависимость /(М) при Р=15000 Н для образцов, вырезанных из нового (1) и бывшего в эксплуатации (2) дисков (БЭ). Результаты измерений прогибов образцов под нагрузкой в процессе циклирования показали, что ма-

териал в зоне концентрации напряжений и деформаций работает в условиях, близких к жесткому нагружению. Это обусловлено тем, что область пластических деформаций составляет не более 5 % от общей площади поперечного сечения образца. По этой же причине различие между НДС образца и реального диска в зонах концентрации напряжений можно считать незначительным. Только с момента образования в образце трещины начинается прогрессирующее увеличение прогибов, завершающееся доломом.

3

а»

5

Рис. 6. Относительные величины прогибов натурных образцов из материала ЭИ698ВД новъгх -1 и БЭ -2 дисков при Р=15000Н при циклическом нагружении

Наблюдающееся в процессе циклиро-вания некоторое уменьшение прогибов образцов из нового диска свидетельствует об упрочнении материала при пластической деформации. Отсутствие упрочнения на образцах из дисков БЭ говорит о существенно меньшей пластичности материала и исчер-пании его способности к упрочнению, о чем свидетельствует и уровень относительных прогибов образцов в момент разрушения: ~1,4 и ~1,6 соответственно для дисков БЭ и нового диска. Снижение пластических свойств материала приводит к уменьшению циклической долговечности образцов, которое, например, при Р=15000 Н составляет почти 100 %, т. е. в 2 раза.

Испытания стандартных гладких образцов проводились по жесткому циклу нагружения при нормальных условиях (1 = +20оС ) с частотой нагружения { = 0,1 Гц по отнулевому трапецеидальному циклу до полного разрушения образца. На каждом уровне нагружения испытывалось по 3 образца, и по средним значениям для каждого в ар ианта стр оились з ав ис имо сти о = Б^^).

Результаты экспериментальных исследований, показанные в таблице и на рис. 7, показывают хорошую сходимость средних значений долговечностей, определяемых расчетно-экспериментальным методом с использованием кривой МЦУ и путем испытания н ату р ных образцов -сегме нтов.

К

ПЗ

2

а

о

0-

ф

с[

Долговечность, цикл

Рис. 7. Результаты испытаний гладких стандартных образцов и натурных образцов-сегментов 1 - натурный образец; 2 - стандартный образец; 3 - расчет по формуле Мэнсона

Таблица 1. Результаты экспериментальных исследований

Размах эквивалентных деформаций образцов Ае , % Циклическая долговечность гладкого образца. N циклов Циклическая долговечность образцов из ободной части диска ТНД N циклов Расчет циклической долговечности дисков по мод иф ициров анной формуле Мэнсона N циклов

1,2 4549 4097 3215

1,078 6565 6652 4178

0,876 9916 11096 8050

0,712 16339 17262 14818

По результатам расчета НДС выполнен расчет циклической долговечности дисков в зонах концентрации напряжений. По модифицированной формуле Мэнсона:

ДЄ4 =

1 ^

In

• N-

3.5

+ — Ч°Е

'°м )• N-

. 1 - ф ;

где Ае - размах продольной деформации гладкого образца при одноосном растяжении- сжатии за цикл нагружения; N - прогнозируемая долговечность до появления трещины; ом - среднее напряжение в цикле.

Из таблицы 1 видно, что результаты расчета по формуле Мэнсона дают существенно заниженные величины долговечности.

Список литературы

1. Шер еметьев А.В. Пр огнозир ование

циклической долговечности и установление ресурсов основных деталей авиационных ГТД. Материалы Х Международного конгресса двигателестроителей. Авиационнокосмическая техника и технология, № 8, 2005.-5с.

2. Расчет на прочность деталей машин: Справочник / Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Ио-силевич Г.Б. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1979. -702с.

0.6

0.12

ON SELECTION OF EQUIVALENT LOADING OF STANDARD SMOOTH SPECIMENS FOR DETERMINING LOW-CYCLE DURABILITY OF GAS-TURBINE ENGINE MAJOR

COMPONENTS

© 2006 AM. Porter, G.P. Matveyenko, S.A. Bukatyi, A.L. Khokhrin

The results of the procedure for determining low-cycle durability of gas-turbine engine parts evaluation are presented. The evaluation is based on the results of standard smooth specimens tests, with application of the loading cycle deformation amplitude intensity characteristics.