孔边缘单侧裂纹应力强度因子计算方法

-6 - 科学技术创新2019.08
4结论
本文采用workbench软件,验证了三维孔边单侧1/4圆弧形
•uB
裂纹的应力强度因子计算精度,以燃气轮机第一级轮盘樺槽底
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部冷气孔边缘单侧裂纹的应力强度因子计算为例，得到如下研
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B
究结果：
4.1基于workbench计算复杂形状构件的孔边单侧角裂纹 应力强度因子计算方法是可行的。
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孔边缘单侧裂纹应力强度因子计算方法
李岩'冯永志’杜伟2 (1、哈尔滨电气股份有限公司，黑龙江 哈尔滨150028 2、北京航空航天大学、能源与动力工程学院，北京100191)
摘要:针对桦槽底部冷气孔边缘含宏观裂纹的燃气轮机轮盘能否继续服役问题，从断裂力学的角度，利用workbench软件,
图2精度验证结果
网格划，总数单元104795。以轮盘旋转中心为坐标原点，建立柱 坐标系，约束扇区两侧截面的周向转动、扇区端面轴向位移，施 加转速9900转/秒，樺槽端面施加叶片离心力，轮缘平均温度 560、轮盘中心孔壁面平均温度380。经计算轮盘最大应力为 1069MPa,其位置在樺槽底部冷却孔边缘,判断该位置是可能出 现裂纹的位置，见图3(a)o
参考文献
0.38mm x 0.38mm圆形的孔边单侧裂纹作为裂纹以局部直角 坐标系原点为中心，在XZ平面建立半径为0.38mm的片体导入 计算模型中，生成裂纹网格如图4(b)所示。
[1] 薛志远等.涡轮盘中心孔三维疲劳裂纹扩展分析卩].失效分析 与预防,2018,13(3):165-170. [2] 张智轩，石多奇，杨晓光.含销钉孔边裂纹的某压气机轮盘裂 纹扩展分析[J].航空动力学报,2016,31(3):567-574.
采用相互作用积分法，验证了典型的孔边单侧裂纹承受拉力情况下应力强度因子的计算精度，模拟了某MW级燃气轮机涡轮盘
桦槽底部冷却孔边缘含单侧裂纹的应力强度因子。结果表明：基于workbench的相互作用积分法计算应力强度因子的误差不大于 8%,可满足工程计算使用；某MW级燃气轮机涡轮盘桦■槽底部冷却孔边缘单侧裂纹的应力强度因子最大值在靠近冷气孔内壁处 的裂纹前缘，该位置裂纹最先扩展和破裂。同时，获得了一种适用于工程上的裂纹断裂参量计算方法，为含裂纹构件视情服役提
其计算精度不超过8%,在可接受工程应用范围内。
(a)等效应力
(b)量大主应力
4.2考察了某MW级燃气轮机轮盘樺槽底部冷气孔边缘单 侧圆弧形裂纹的应力分布和应力强度因子大小。
应力强度因子计算在工程应用上具有非常重要的意义，尤
图3轮盘等效应力及最大主应力 3.2植入裂纹 樺槽底部裂纹局部几何特征可满足“典型孔边单侧裂纹承
1相互作用积分计算K1原理 相互作用积分法在计算应力强度因子时，经过建立裂纹尖 端辅助场来分离并获取真实场中的I型、II型和型HI型应力强 度因子，相互作用积分法具有J积分法的所有优点，并且克服 了 J积分法无法区分K|、Kn、Km的缺点。口⑷
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% 勺，"i分别为应力，应变，位移。嚟，矿分别 为辅助场的应力，应变，位移。q,为裂纹扩展矢量。
[3] 刘宗晖.某发动机涡轮盘裂纹扩展研究[J].机械强度,2018,40
(2):462-466. [4] 喻正勇.枫树型桦连结构接触应力分析及寿命预测 [D].成都: 电子科技大学,201&
2应力强度因子精度验证 以应力强度因子手册中“典型的孔边单侧裂纹承受拉伸力”
模型(见图1)进行计算,workbench计算的应力强度因子解与应 力强度因子手册解对比(如图所示2)后发现其误差小于8%,可 以满足工程计算的精度要求。
3涡轮盘裂纹应力强度因子计算 3.1应力计算 燃气轮机透平轮盘，以包含3个樺槽底部冷气孔和1个偏 心孔的3/86扇区作为计算对象，采用四面体slodl86单元进行
应力强度因子和相互作用积分关系如下：
I =右(W嘗 + K2K^ ) + 丄3甞
(2)
F'=10MF&
rnmTnrrr P=10»Fa
⑹精度验还模型
(b)裂纹网格
图1精度验证及裂纹网格
22 o 1
25 6
21 o O
25 4
20 o 9
I5
19 O 8
15
100
k,a = 1,2,3)为I ,u,in型裂纹的应力强度因子； 障％=让3)为I, 口，m型裂纹的辅助应力强度因子;e*为平面 应变下杨氏模量，且£'=£/(l-v2) ;v为泊松比。E为平面应力 下的杨氏模型。从为剪切模量。
图3(b)所示为轮盘最大主应力分布及主应力方向，可知最大 主应力与最大等效应力出现在同一位置,裂纹最先出现樺槽底 部冷却孔边缘。根据“裂纹扩展方向始终垂直裂纹尖端周向最 大主应力的方向阳'可知，I型裂纹平面法向平行于最大主应力 方向。
基金项目：典型故障动力学建模和诊断方法研究(2017-IV-0008)。
供了理论依据。 关键词：断裂力学；应力强度因子；相互作用积分法；涡轮盘
ห้องสมุดไป่ตู้
中图分类号:0346.1
文献标识码：A
文章编号:2096-4390(2019)08-0005-02
涡轮盘作为燃气轮机的断裂关键件之一，在其设计、制造或 服役过程中易形成的缺陷位置处萌生裂纹。裂纹尖端应力强度 因子与轮盘载荷情况及裂纹长度有关，结合有限元软件开展轮 盘整盘三维裂纹扩展仿真、动态裂纹扩展分析、并探究裂纹的变 化规律及寿命预测是当下研究的主流。IT而一种通过计算应力 强度因子来快速初步判断轮盘是否继续服役的方法成为必须 的工程手段。文章重点讨论了基于workbench软件求解应力强 度因子的计算精度和裂纹位置的判断及裂纹插入方法,并以某 MW燃气轮机轮盘冷气孔边缘单侧圆弧型裂纹为例计算了裂纹 前缘应力强度因子,为轮盘裂纹扩展及寿命分析奠定了基础。
其在设备检修期探伤发现裂纹后，可根据裂纹实际尺寸来快速 估算应力强度因子,进而与心和K1C比较，来初步判断其是否 能够继续服役。同时，也为进行裂纹扩展及寿命分析奠定了前
受拉伸力”的情况。以最大主应力点(85.42,-3.14,374.45)为坐标 期基础。 原点，建立如图4(a)所示局部直角坐标系。假设轮盘关键部位有