Учет влияния свойств материала, конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов при установлении ресурсов деталей авиационных ГТД Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.7.036:539.4

А. В. Шереметьев, А. В. Петров

УЧЕТ ВЛИЯНИЯ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА, КОНСТРУКТИВНЫХ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ ПРИ УСТАНОВЛЕНИИ РЕСУРСОВ ДЕТАЛЕЙ АВИАЦИОННЫХ ГТД

Аннотация: Даны рекомендации по определению комплексов влияния материала, конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов при установлении ресурсов ретроспективным методом.

В настоящее время широко используются рас-четно-экспериментальные методы установления ресурсов деталей авиационных ГТД. Среди этой группы методов заслуживают внимание методы, основанные на опыте эквивалентно-циклических испытаний и эксплуатации прототипов, например ретроспективный метод [1].

Формула установления циклических ресурсов деталей авиационных ГТД в ретроспективном методе может быть представлена в виде (1):

N

N н = N.

пр.н

пр

N

пр

■ Пф •-

X

пр X н

(1)

Nн = Nпр ■ Пм ■ Пктэ ■ Пе ,

(2)

где пм - комплекс учета влияния свойств материала; пктэ - комплекс учета влияния конструктив-

ных, технологических и эксплуатационных факторов; пв - комплекс учета влияния вибрационных напряжений.

Определение величин, входящих в формулы (1) и (2) производится на основе предварительного анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) деталей. При этом, как правило, должны быть использованы модели высокого уровня, включающие учет контактного взаимодействия в соединениях, физическую и геометрическую нелинейности [2].

Комплексы влияния, входящие в формулу (2), определяются следующим образом:

N

где Nн - циклический ресурс детали нового двигателя; N пр - экспериментально определенный ресурс детали двигателя - прототипа; NПр.н - расчетное число циклов до разрушения детали двигателя - прототипа, изготовленного из нового материала; ыПр - расчетное число циклов до разрушения детали двигателя - прототипа; Пф - комплекс учета влияния конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов; Хпр и Xн - коэффициенты влияния вибрационных напряжений на циклическую долговечность детали двигателя -прототипа и нового двигателя соответственно.

Условия применимости ретроспективного метода требуют выбора прототипа с достаточно близкими к проектируемой детали характеристиками: уровнем повторно-статических напряжений в критических зонах, свойствами материалов и динамической напряженностью [1].

Формулу (1) можно преобразовать с учетом комплексов влияния различных факторов на циклический ресурс следующим образом:

Пм="

пр.н

N

пр

^пр

з ■ пт' ^э

(3)

(4)

(5)

Здесь пк - коэффициент учета конструктивных факторов; пт - коэффициент учета технологических факторов; £,э - коэффициент учета отличия повреждаемости в полетном цикле.

Следует отметить, что в случае идентичности конструкционных материалов, применяемых на деталях нового двигателя и двигателя - прототипа, п м = 1. Если конструкция, технология изготовления и форма полетного цикла деталей нового двигателя не претерпела изменения по сравнению с деталями двигателя-прототипа, то пктэ = 1. Если уровень вибрационных напряжений в деталях нового двигателя относительно небольшой и не превышает уровня на двигателе - прототипе, тогда допустимо принимать пв = 1.

Особый интерес для практического использования ретроспективного метода представляют комплексы учета влияния свойств материала и конст-

© А. В. Шереметьев, А. В. Петров 2006 г.

ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 1/2006

91

х

н

руктивных, технологических, эксплуатационных факторов.

На основании полученных в работах [2] и [3] результатов анализа и компьютерного моделирования возможных технологических отклонений (в пределах допуска) в замковых соединениях и их влияния на НДС и циклический ресурс рабочих лопаток вентиляторов авиационных ГТД, комплекс учета влияния конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов определяется следующим образом:

1 --

(ДМ Тех)

ср

(ДМ ТРех)ср

где (ДМТпех)ср , (^ТРех)ср

э = 0,67 э

(6)

средние изменения

щие напряжения в доверительный интервал. Полученные таким образом значения циклической долговечности являются существенно заниженны-

циклической долговечности детали, при возможных технологических отклонениях нового двигателя и двигателя-прототипа соответственно.

Применение ретроспективного метода прогнозирования ресурса показано на примере рабочих лопаток вентиляторов авиационных ГТД разработки ГП " Ивченко-Прогресс".

Рассматриваемые в данной работе рабочие лопатки вентиляторов новых двигателей и двигателей-прототипов имеют различные материалы: титановые сплавы ВТ3-1 - для двигателей-прототипов и ВТ6 - для новых двигателей, поэтому комплекс учета влияния свойств материала требует определения.

Величины циклической долговечности мПр.н и

Ы*пр. могут быть определены как по кривым малоцикловой усталости (МЦУ), так и по универсальной формуле Мэнсона, однако требуется оценка достоверности определения циклической долговечности в зависимости от уровня действующих напряжений.

В частности, при определении комплекса влияния материала для рабочих лопаток вентиляторов двигателей - прототипов, значения циклической долговечности первоначально определялись по кривым МЦУ для гладких образцов (рис. 1). На рис. 1 также видно явное преимущество титанового сплава ВТ6 над ВТ3-1 (до двух раз) в зоне МЦУ. Однако, уровень действующих в критических зонах лопаток повторно - статических напряжений был ниже, чем диапазон напряжений в образцах по кривым МЦУ. Поэтому, полученные по этим кривым значения циклической долговечности и комплексов влияния пм (табл. 1) оказались завышенными, лежащими за рамками доверительного интервала применения кривых МЦУ.

Применение кривых МЦУ, построенных для образцов с надрезом позволяет включать действую-

Рис. 1. Кривые малоцикловой усталости: 1 - титановый сплав ВТ3-1; 2 - титановый сплав ВТ6

Таблица 1 - Комплексы влияния материалов для рабочих лопаток вентиляторов (гладкие образцы)

Двигатель-прототип Материал атах ' МПа N р ' циклы п м

№ 1 ВТ3-1 723 38464 10,2

ВТ6 715 392825

№ 2 ВТ3-1 581 155596 70,3

ВТ6 547 1,1108

ми и неприменимыми для практики, что связано двойным учетом концентрации напряжений: при определении НДС расчетным путем с использованием моделей высокого уровня (например, трехмерные конечноэлементные модели, учитывающие контактное взаимодействие в соединениях), где уже учитывается реальная концентрация напряжений и при использовании кривых МЦУ на базе образцов с надрезом. Однако, относительные значения циклической долговечности являются физич-ными и приемлемыми (табл. 2).

л

ктэ

Таблица 2 - Комплексы влияния материалов для рабочихлопаток вентиляторов(образцы с надрезом с р = 0,25 мм)

Таблица 3 - Комплексы влияния материалов для рабочих лопаток вентиляторов (на основании формулы Мэнсона)

Двигатель-прототип Материал атах' МПа N р , циклы п м

№ 1 ВТ3-1 723 1756 1,60

ВТ6 715 2809

№ 2 ВТ3-1 581 3520 1,92

ВТ6 547 6760

Двигатель-прототип Материал атах 5 МПа N р , циклы п м

№ 1 ВТ3-1 723 1756 1,60

ВТ6 715 2809

№ 2 ВТ3-1 581 3520 1,92

ВТ6 547 6760

В качестве универсального подхода к определению комплексов влияния пм и Пктэ предлагается их определять на основе циклической долговечности, определенной по формуле Мэнсона:

=II1-

1 - у

0,6

г 1,75 • а г, N ~р 06 + - В

Е

N

-0,12

,(7)

Таблица 4 - Влияние уровня действующих напряжений на относительную повреждаемость (на основании формулы Мэнсона)

где еа - амплитуда полной деформации в цикле; у - относительное сужение материала образца; а в - предел длительной прочности; Е -модуль упругости; Np - число циклов до разрушения.

В табл. 3 приведены расчетные значения циклической долговечности, определенных по формуле Мэнсона (7) и комплексов влияния материала для рабочих лопаток вентиляторов двигателей - прототипов. Как видно из табл. 3, комплекс влияния материала может принимать значения как больше, так и меньше единицы, что объясняется изменением преимущества титанового сплава ВТ6 по отношению к ВТ3-1 в зависимости от уровня действующих напряжений. Этот факт иллюстрируют табл. 4 и рис. 1, в которой приведено изменение относительной циклической долговечности в зависимости от величины напряжений. Из табл. 4 следует, что в диапазоне напряжений 400 - 700 МПа (в зоне упругости) титановый сплав ВТ3-1 превосходит ВТ6 по характеристикам МЦУ, а при уровне напряжений 800 - 1000 МПа (в упруго - пластической зоне) преимущество имеет титановый сплав ВТ6.

На основании вышеизложенного был осуществлен выбор лопаток вентиляторов двигателей - прототипов, определены комплексы влияния пм и пктэ установлены циклические ресурсы рабочих лопаток вентиляторов двух новых авиационных ГТД ретроспективным методом (табл. 5).

Как видно из приведенных результатов, определение величин комплексов влияния и коэффициентов, входящих в формулы (1) и (2) требует взвешенного подхода к определению числа цик-

атах ' МПа Материал N р , циклы п м

400 ВТ3-1 19496620 0,68

ВТ6 13362060

500 ВТ3-1 2095104 0,70

ВТ6 1466477

600 ВТ3-1 357239 0,74

ВТ6 265153

700 ВТ3-1 90834 0,85

ВТ6 77094

800 ВТ3-1 32003 1,02

ВТ6 32689

900 ВТ3-1 14364 1,29

ВТ6 18488

1000 ВТ3-1 8128 1,56

ВТ6 12709

лов до разрушения (повреждаемости) деталей.

Можно выделить следующие рекомендации:

1) применение кривых малоцикловой усталости должно быть ограничено диапазоном доверительных значений долговечностей, который подтвержден испытаниями образцов;

2) уровень напряжений в сравниваемых деталях не должен различаться более, чем на величины, оговоренные в условиях применения метода;

3) сравнение циклической долговечности деталей желательно проводить в зонах однотипных концентраторов напряжений;

4) для определения расчетных значений циклической долговечности, а также комплексов влияния материала, конструктивных, технологических

/55Л/1727-0219 Вестникдвигателестроения № 1/2006

93

1

е

а

Таблица 5 - Ресурсы лопаток вентиляторов, определенные ретроспективным методом

Новый двигатель ^ max 5 МПа Двигатель-прототип N пр ' циклы Пм % N н , циклы

А 758 №1 10300 0,96 0,67 1,0 6624

Б 507 №2 21180 1,28 0,67 1,0 18163

и эксплуатационных факторов (где используется отношение циклических долговечностей) рекомендуется использование формулы Мэнсона.

Список литературы

1. Муравченко Ф.М., Шереметьев А.В. О методе определения циклических ресурсов авиадвигателей // Оценка и обоснование продления ресурса элементов конструкций: Тр. Меж-дунар. конф. - К.: Нац. АН Украины. Ин-т пробл. прочности, 2000. - т.2. - С. 831-836.

2. Муравченко Ф.М., Шереметьев А.В., Петров А.В. Анализ напряженно-деформированного состояния деталей авиационных ГТД с учетом возможных технологических отклонений // Вюник двигунобудування, 2005. - №1. - С. 2328.

3. Шереметьев А.В., Петров А.В. Использование компьютерного моделирования для учета технологической наследственности при установлении ресурсов деталей авиационных ГТД // Авiацiйно-космiчна технка i технолопя. - Харюв, 2005. - Вип.4(20). - С. 50-53.

Поступила в редакцию 16.01.2006 г.

Анота^я: Надано рекомендацИ' з визначення комплексе впливу матер1алу, конструк-тивних, технолог1чних та експлуатац1йних фактор1в при встановленн1 ресурав рет-роспективним методом.

Abstract: Recommendations for definition of influence complexes of material, constructive, technological and operational factors when establishing service life by retrospective method are given.