Расчётно-экспериментальное прогнозирование малоцикловой долговечности и ресурса дисков ГТД с учётом влияния аналитических и эксплуатационных факторов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат наук Пахоментов Александр Владимирович

• Пахоментов Александр Владимирович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Пахоментов Александр Владимирович

1.2.2 Обобщённая диаграмма упругопластического деформирования

1.2.3 Энергетические критерии разрушения

1.2.4 Силовые критерии разрушения

1.3 Критерии малоциклового разрушения в условиях сложного напряжённого состояния

1.4 Суммирование повреждений при малоцикловой усталости

1.5 Основные расчётные зависимости малоцикловой усталости

при неоднородном напряжённом состоянии

1.6 Обзор методов определения запасов по циклической долговечности основных деталей

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ

2 РАСЧЁТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАЛОЦИКЛОВОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ И РЕСУРСА

ДЕТАЛЕЙ ГТД

2.1 Определение расчётного количества циклов деталей на

основе кривых МЦУ

2.2 Определение расчётного количества циклов нагружения ответственных деталей на основе метода эквивалентных испытаний образцов с концентраторами напряжений

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАЛОЦИКЛОВОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДИСКА

ПЕРВОЙ СТУПЕНИ КНД ДВИГАТЕЛЯ Д30КП

ТРАДИЦИОННЫМИ МЕТОДАМИ

3.1 Анализ НДС диска

3.2 Расчёт ресурса диска на основе уравнения Мэнсона

3.3 Экспериментальное определение диаграмм МЦУ для титанового сплава ВТ3-1

3.4 Расчётное определение малоцикловой долговечности диска

КНД на основе экспериментальных диаграмм МЦУ

3.5 Экспериментальное определение малоцикловой долговечности диска КНД на основе ресурсных испытаний

3.6 Сравнение результатов расчёта долговечности диска КНД по данным разделов 3.2, 3.4 и

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ

4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАЛОЦИКЛОВОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ГТД НА ОСНОВЕ МЕТОДА ЭКВИВАЛЕНТНЫХ ИСПЫТАНИЙ ОБРАЗЦОВ С КОНЦЕНТРАТОРАМИ НАПРЯЖЕНИЙ

4.1 Выбор геометрических характеристик образцов для проведения усталостных испытаний

4.2 Экспериментальное определение малоцикловой усталости на образцах, разработанных для эквивалентных испытаний

4.3 Качество сетки, используемые версии АКБУБ, свойства конечного элемента

4.4 Экспериментальное определение диаграммы малоцикловой усталости на образцах с уточнённой геометрией

4.5 Определение долговечности дисков КНД на основе

диаграммы малоцикловой усталости образцов

4.6 Исследование влияния технологической наследственности на малоцикловую долговечность образцов с концентратором

напряжений

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ

5 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ДИСКА КНД С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ МЦУ НА ОСНОВЕ УЧЁТА ЖЁСТКОСТИ НАПРЯЖЁННОГО СОСТОЯНИЯ

5.1 Разработка новой геометрии диска КНД с изменёнными характеристиками жёсткости НДС с целью повышения сопротивления малоцикловой усталости

5.2 Экспериментальное исследование малоцикловой усталости модифицированного диска КНД

5.3 Сравнение расчётных и ресурсных показателей

малоцикловой усталости модифицированного диска КНД

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ

6 МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕСУРСА ДЕТАЛЕЙ НА ОСНОВЕ ВЫБОРА КОЭФФИЦИЕНТОВ ЗАПАСА ПРОЧНОСТИ, УЧИТЫВАЮЩИХ АНАЛИТИЧЕСКИЕ И

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ФАКТОРЫ

6.1 Обоснование метода выбора коэффициентов запаса прочности

6.2 Применение расчётно-экспериментального метода оценки циклического ресурса на примере диска 1 ступени КНД двигателя АЛ-55И

6.2.1 Анализ показателя условия эксплуатации

6.2.2 Анализ показателя теплового состояния

6.2.3 Оценка анализа напряжений

6.2.4 Оценка показателя свойств материала

6.2.5 Определение безопасной циклической долговечности. Определение аналитического коэффициента долговечности (АКД)

6.3 Анализ эффективности предлагаемой методики определения

расчётной циклической долговечности

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

СПИСОКСОКРАЩЕНИЙ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А Определение функции кривой долговечности на основе аппроксимации экспериментальных данных в Excel и

использования программы Grafula.exe

Приложение Б Акт о внедрении Методики № 408-00-45-01727-М-2018 149 Приложение В Акт о применении Методики № 408-00-45-01727-М-2018 для расчётного продления ресурса модуля КНД двигателя АЛ-

55И

Приложение Г Акт об использовании Метода определения ресурса для расчётно-аналитического обоснования продления ресурса модуля компрессора низкого давления двигателя АЛ-55И

Приложение Д Акт об использовании результатов диссертационной работы Пахоменкова А.В. «Расчётно-экспериментальное прогнозирование малоцикловой долговечности и ресурса дисков ГТД с учётом влияния аналитических и эксплуатационных факторов», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук, в учебном процессе ФГБОУ ВО РГАТУ имени П.А. Соловьева

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Расчётно-экспериментальное прогнозирование малоцикловой долговечности и ресурса дисков ГТД с учётом влияния аналитических и эксплуатационных факторов»

ВВЕДЕНИЕ

Обязательным требованием, предъявляемым заказчиками к авиационным газотурбинным двигателям (ГТД) для гражданской авиации, является обеспечение ресурса в несколько десятков тысяч часов или не менее десяти тысяч полётных циклов уже на этапе начальной эксплуатации. И эти требования постоянно растут под давлением конкуренции. Конструкция ГТД такова, что ресурс двигателя в первую очередь определяется малоцикловой долговечностью роторных деталей, работающих в наиболее тяжелых температурно-силовых условиях.

Для обеспечения рентабельности эксплуатации, разработчики вынуждены повышать топливную экономичность и ресурс двигателей. Увеличение топливной эффективности происходит, как правило, за счёт повышения КПД узлов и увеличения параметров рабочего цикла, что связано с увеличением температуры и нагрузок на детали двигателя. Это приводит к увеличению температурных градиентов и напряжений в наиболее нагруженных зонах основных деталей двигателя, что существенно влияет на малоцикловую долговечность основных деталей двигателя.

Применение в конструкции основных деталей ГТД перспективных материалов с увеличенной жаропрочностью и градиентными свойствами и, как правило, со сниженными характеристиками пластичности, приводит к снижению их сопротивления малоцикловой усталости.

В процессе проектирования и эксплуатации ГТД приходится оценивать статическую прочность и циклическую долговечность особо ответственных деталей различного конструктивного исполнения. Изменения в конструкции деталей, изменение материала или способа производства обусловлены необходимостью достижения тактико-технических требований изделия, его экономическими показателями, возможностями производственного оборудования и рядом других факторов. Поэтому в соответствии с

требованиями действующей нормативно-технической документации (НТД) [53] возникает необходимость проведения испытаний по назначению или подтверждению ресурса деталей или узлов, которые подверглись изменениям. В результате возникает большой объём работ по испытаниям ответственных деталей с целью назначения их ресурса. Проведение каждого подобного испытания требует существенных временных и финансовых затрат.

Например, усталостные разрушения титановых дисков, наблюдаемые регулярно при эксплуатации двигателей разных типов, обусловлены исчерпанием сопротивления усталости конструкционного материала. Нередко зарождение трещин в дисках ГТД инициируется дефектами материала, имеющими производственный, технологический или эксплуатационный характер. Однако, в большинстве случаев разрушения дисков из титановых сплавов обусловлены тем, что их конструкционная прочность является недостаточной для реализации назначенного ресурса.

Для обеспечения безопасной эксплуатации дисков и других деталей необходимо совершенствовать методы прогнозирования долговечности и расчёта назначенного ресурса ответственных деталей и узлов ГТД.

В соответствии с действующей НТД определение расчётного ресурса и установление назначенного ресурса деталям ГТД допустимо двумя способами:

- по результатам испытаний деталей, узлов иди двигателей на малоцикловую усталость с требуемыми нормированными [53] запасами прочности;

- по результатам расчётов циклической долговечности с использованием данных по конструкционной прочности материалов и нормированными коэффициентами запаса прочности.

Проведение испытаний деталей, узлов или двигателей на малоцикловую усталость требует существенных материальных и временных

затрат, что в свою очередь приводит к снижению конкурентных преимуществ разрабатываемых конструкций ещё на этапе проектирования и доводки. Также проведение натурных испытаний отдельных деталей или узлов может столкнуться с проблемой невозможности полной имитации циклического нагружения (температурные градиенты, учёт влияния приёмистости и др.) или невозможностью проведения испытаний на малоцикловую усталость в виду массово-габаритных ограничений установок и испытательных стендов (например, для испытания дисков стационарных и авиационных двигателей большой мощности).

Использование методов моделирования конструкций и расчёта циклической долговечности представляется экономически более выгодным. Также замена натурных испытаний деталей эквивалентными испытаниями опытных образцов является менее трудоёмкой и имеет значительно меньшую себестоимость по сравнению с испытанием деталей, узлов или полноразмерных ГТД на стендах. Большим преимуществом расчётного метода определения циклической долговечности является временной фактор, так как стендовые эквивалентно-циклические испытания деталей или двигателей с требуемыми нормированными коэффициентами запаса прочности имеют большую трудоёмкость и длительность, которая часто измеряется в десятках месяцев.

На протяжении нескольких десятилетий в авиационной промышленности РФ одним из основных методов расчёта малоцикловой долговечности для определения ресурса ответственных деталей являлся предложенный С.С. Мэнсоном метод универсальных наклонов [91], разработанный на основе результатов испытаний на растяжение-сжатие стандартных образцов при одноосном напряжённом состоянии (НС). Для сложного НС, характерного для основных деталей ГТД в зонах концентрации напряжений, в ЦИАМ (г. Москва) было получено модифицированное уравнение [27, 2], содержащее интенсивности размахов упругих и

пластических деформаций в цикле нагружения. В дальнейшем с целью повышения точности прогнозирования малоцикловой долговечности появились различные модификации уравнения Мэнсона [48, 49]. Однако, результаты расчётов долговечности в ряде случаев значительно отличаются от результатов, полученных при испытаниях на малоцикловую усталость (МЦУ) не только деталей, но и стандартных образцов и образцов с концентраторами напряжений [59, 80]. Существующие расчётные методы прогнозирования долговечности не обладают достаточной точностью, так как не могут полностью учесть сложность НДС деталей в области концентраторов напряжений. Поэтому на практике, чтобы обеспечить прочность и надёжность деталей ГТД, вводят корректировку расчётной циклической долговечности основных деталей посредством использования нормируемых запасов, строго регламентируемых в НТД авиационной промышленности РФ.

Исследованиями в области малоцикловой долговечности деталей авиационных ГТД, в том числе с учётом влияния различных факторов, занимаются в различных научно-исследовательских и академических институтах: ЦИАМ, ВИАМ, СГАУ, ВИЛС, ЦАГИ, МАИ и др. Оценке малоцикловой долговечности в сложном цикле нагружения посвящён ряд работ отечественных и зарубежных исследователей: И.А. Биргера, Г.С. Писаренко, С.В. Серенсена, С. Мэнсона, Л. Коффина и др.

Применяющаяся система запасов согласно НТД не подлежит изменению на протяжении всех этапов жизненного цикла двигателя, что не позволяет проектировать конструкции, обеспечивающие требуемые габаритно-массовые характеристики, и, как следствие, негативно отражается на основных характеристиках, определяющих конкурентоспособность ГТД. Кроме того, на основе многочисленных исследований по определению фактической циклической долговечности деталей, проведенных в ПАО «ОДК-Сатурн» [60], установлено, что уравнение Мэнсона приводит к

занижению циклической долговечности по отношению к экспериментальным данным.

Однако, до сих пор отсутствуют методы, учитывающие влияния аналитических и эксплуатационных факторов в малоцикловой области нагружения основных деталей газотурбинных двигателей.

Переход на эксплуатацию ГТД по техническому состоянию является ещё одним фактором повышения коммерческой рентабельности эксплуатации ГТД в совокупности с повышение параметров рабочего цикла. В этом случае возникает необходимость в индивидуальной максимально достоверной оценке исчерпания ресурса каждого двигателя с учётом влияния всех воздействующих факторов.

В связи с этим, разработка новых подходов и расчётных методов прогнозирования циклической долговечности и ресурса ответственных деталей является актуальной проблемой.

Степень разработанности темы исследования

Анализ публикаций отечественных и зарубежных учёных показал, что большой вклад в исследования и разработку методов прогнозирования малоцикловой долговечности внесли Manson S.S. и Coffin L.F., Ленджер Б.Ф., Биргер И.А., Новожилов В.В., Гусенков А.П., Махутов Н.А., Шнейдерович Р.М. и др. исследователи. Однако, применение разработанных деформационных и энергетических критериев для оценки циклической долговечности в малоцикловой области требует учёта кинетики неупругого деформирования, что приводит к вычислительным трудностям из-за неопределённости и рассеяния значений необходимых характеристик. Процесс малоциклового нагружения включает в себя как статическую, так и усталостную составляющую повреждений. Исследования ряда авторов показали, что линейная гипотеза суммирования повреждений даёт значительное расхождение экспериментальных и расчётных результатов. В ряде работ для расчёта долговечности при полигармоническом нагружении

используются различные гипотезы суммирования повреждений от каждой составляющей цикла. При этом используются классические методы анализа НДС деталей. Однако, как отмечено в работах Б.П. Кишкина и Н.Д. Кузнецова, до сих пор в расчётной практике не используются критерии оценки прочности деталей, учитывающие вид и жёсткость НС.

Исследования в области малоцикловой долговечности и назначения ресурса основных деталей ГТД с учётом влияния различных факторов ведут в ряде научно-исследовательских и академических институтах: ЦИАМ, ВИАМ, СГАУ, ВИЛС, ЦАГИ, МАИ и рассматриваются как одно из важнейших направлений создания перспективных двигателей летательных аппаратов. Анализ известных публикаций позволил установить, что до сих пор отсутствуют методы, учитывающие влияния аналитических и эксплуатационных факторов в малоцикловой области нагружения основных деталей газотурбинных двигателей. Поэтому разработка нового метода определения ресурса основных деталей газотурбинных двигателей в малоцикловой области с учётом влияния аналитических и эксплуатационных факторов позволит повысить точность определения ресурса основных деталей ГТД.

Целью данной работы является повышение точности определения ресурса основных деталей газотурбинных двигателей в малоцикловой области нагружения с учётом влияния аналитических и эксплуатационных факторов.

Постановка задач исследования

1. Разработка метода определения ресурса ответственных деталей ГТД, учитывающего данные о сопротивлении материалов малоцикловой усталости и влияние аналитических и эксплуатационных факторов.

2. Выбор критерия и разработка методики анализа НДС деталей и опытных образцов для исследования малоцикловой долговечности, учитывающих жёсткость напряжённого состояния детали.

3. С целью повышения точности расчётно-экспериментального способа определения малоцикловой долговечности деталей разработать методику применения Метода эквивалентных испытаний образцов с концентратором напряжений.

4. Разработать методику применения Метода эквивалентных испытаний образцов с концентратором напряжений для совершенствования конструкции ответственных деталей ГТД.

5. Оценка точности известных расчётных методов и способов определения малоцикловой долговечности и ресурса ответственных деталей ГТД и Метода эквивалентных испытаний образцов с концентратором напряжений на примере натурных испытаний диска ГТД.

Научная новизна работы

1. Предложен подход к определению ресурса ответственных деталей ГТД, основанный на использовании коэффициентов запаса прочности и учитывающий расчётно-экспериментальные данные о сопротивлении материалов малоцикловой усталости и влияние аналитических и эксплуатационных факторов на малоцикловую долговечность деталей.

2. На основе метода эквивалентных испытаний образцов с концентраторами напряжений разработана методика расчётно-экспериментального определения малоцикловой долговечности крупногабаритных деталей, отличающаяся повышенной точностью и достоверностью. В качестве эквивалентности НДС исследуемых деталей и опытных образцов использован коэффициент жёсткости напряжённого состояния - критерий Г.А. Смирнова-Аляева.

3. Разработаны коэффициенты соответствия долговечности опытных образцов и деталей, определяемые экспериментально или расчётным способом и повышающие достоверность и точность метода эквивалентных испытаний.

4. На основе критерия жёсткости напряжённого состояния и метода эквивалентных испытаний разработана методика совершенствования конструкции диска первой ступени КНД, которая может использоваться для совершенствования конструкции различных деталей ГТД.

Теоретическая значимость работы

Разработаны: метод определения ресурса ответственных деталей, учитывающий влияние аналитических и эксплуатационных факторов на малоцикловую долговечность деталей; методика определения эквивалентности напряжённого состояния опытных образцов и исследуемой детали, основанная на критерии жёсткости напряжённого состояния; методика расчётного определения коэффициентов соответствия малоцикловой долговечности опытных образцов и деталей; методика совершенствования конструкции ответственных деталей с учётом заданной долговечности, вида, жёсткости напряжённого состояния и уровня напряжённости.

Практическая значимость работы

Метод определения ресурса, учитывающий влияние аналитических и эксплуатационных факторов позволяет с меньшими затратами и с большей точностью назначать ресурс ответственных деталей ГТД.

Метод эквивалентных испытаний образцов с концентраторами напряжений по сравнению с традиционными расчётными методами обеспечивает:

- более высокую точностью прогнозирования малоцикловой долговечности крупногабаритных деталей, натурные испытания которых невозможны или экономически не целесообразны;

- позволяет проводить проектирование и оптимизацию конструкции ответственных деталей по заданной долговечности с заданными массово-габаритными характеристиками при обеспечении требуемых показателей конструкционной прочности. Натурные испытания модифицированного

диска первой ступени компрессора ГТД показали увеличение малоцикловой долговечности в ~3 раза.

Методы исследования

Работа выполнена с использованием классических методов теории упругости и механики деформированного твёрдого тела. Трёхмерное моделирование деталей и образцов выполнялось в программных пакетах и^гарЫсБ МХ и АКБУБ 18.0. Экспериментальные исследования проводили на сертифицированном оборудовании с использованием методов статистической обработки полученных результатов.

Положения, выносимые на защиту

1. Метод определения ресурса ответственных деталей ГТД, учитывающего данные о сопротивлении материалов малоцикловой усталости и влияние аналитических и эксплуатационных факторов.

2. Критерий и методика анализа НДС деталей и опытных образцов для исследования малоцикловой долговечности с целью повышения точности расчётно-экспериментального способа определения малоцикловой долговечности деталей на основе метода эквивалентных испытаний образцов с концентратором напряжений.

3. Методика применения метода эквивалентных испытаний образцов с концентратором напряжений для совершенствования конструкции ответственных деталей ГТД.

4. Результаты оценки точности известных расчётно-экспериментальных способов определения малоцикловой долговечности ответственных деталей ГТД в сравнении с методом эквивалентных испытаний образцов с концентратором напряжений на примере диска 1-й ступени компрессора ГТД.

Достоверность полученных результатов

Достоверность полученных результатов обеспечивается путем корректно поставленных задач исследования, применением апробированных

методов анализа и расчёта численными методами, применением современных расчётных комплексов, сходимостью результатов, полученных на основе расчётов и натурных экспериментов, проведённых в ПАО «ОДК-Сатурн».

Апробация результатов работы

Основные результаты работы докладывались на: Втором Международном технологическом форуме «Инновации, Технологии, Производство» (Рыбинск, 2015 г.); Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Севастополь, 2016 г.); 17-й Международной конференции «Авиация и космонавтика - 2018» (Москва, МАИ, 2018 г.); Международном форуме Двигателестроения. Научно-техническом конгрессе по двигателестроению (НТКД-2018) (Москва, 2018 г.) и на Международной науч.-техн. конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2018 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 5 статей, в том числе 4 в рецензируемых изданиях, определённых ВАК России, 4 тезиса докладов.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из Введения, шести глав, основных результатов и выводов, Заключения, списка используемой литературы из 105 наименований и 4 приложений. Содержит 152 страниц текста, включая 43 рисунка и 16 таблиц.

1 ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ПО ТЕМЕ РАБОТЫ

1.1 Методы определения ресурса ответственных деталей ГТД

В настоящее время одним из основных расчётных методов определения расчётного ресурса в малоцикловой области основных деталей ГТД в авиационной промышленности РФ является расчёт долговечности на основе модифицированного в ЦИАМ метода универсальных наклонов диаграмм выносливости, предложенного С. Мэнсоном (Manson S.S.) [91, 27, 2]. Несмотря на то, что модифицированное уравнение Мэнсона рекомендовано Нормами прочности для определения долговечности и ресурса деталей, работающих при нормальной и повышенных температурах при отсутствии фазовых превращений в материале, оно обладает рядом существенных недостатков. Недостаточная эффективность учёта объёмного напряженно-деформированного состояния (НДС) и неоднозначность выбора выражения для среднего напряжения в цикле нагружения в уравнении Мэнсона требуют корректировки расчётной циклической долговечности посредством использования нормируемых запасов прочности, строго регламентируемых в НТД авиационной промышленности РФ. Применяющаяся система запасов согласно НТД не подлежит изменению на протяжении всех этапов жизненного цикла двигателя, что не позволяет проектировать конструкции, обеспечивающие требуемые габаритно-массовые характеристики, и, как следствие, негативно отражается на основных технических характеристиках, определяющих конкурентоспособность ГТД. Кроме того, на основе многочисленных исследований по определению фактической циклической долговечности деталей, проведенных в ПАО «ОДК-Сатурн» [59], установлено, что уравнение Мэнсона приводит к существенному занижению циклической долговечности по сравнению с экспериментальными данными.

Очевидно, нужны подходы к определению ресурса деталей ГТД, основанные на использовании данных о сопротивлении материалов малоцикловой усталости (МЦУ) и включающие в себя гибкую систему назначения коэффициентов запаса по долговечности, учитывающих влияние аналитических и эксплуатационных факторов. Поэтому разработка новых методов определения ресурса ответственных деталей ГТД является актуальной и важной задачей. В основе таких методов лежит расчётное определение малоцикловой долговечности деталей.

В настоящее время при большом количестве работ отсутствует единая трактовка процесса усталостного повреждения деталей и, как следствие, нет единого обоснованного критерия, характеризующего сопротивление малоцикловой усталости.

Широкое распространение получили следующие критерии долговечности в малоцикловой области: деформационный, энергетический и силовой.

1.2 Основные критерии малоциклового разрушения при линейном напряжённом состоянии

За последние десятилетия для жёсткого режима нагружения закономерности малоциклового разрушения конструкционных материалов при линейном напряженном состоянии изучены в достаточном объёме. На основании большого количества экспериментальных данных для жёсткого режима нагружения получено уравнение Коффина-Мэнсона [50, 92, 36, 82]. При мягких режимах нагружения конструкционных материалов этого уравнения, как правило, недостаточно, так как в процессе деформирования происходит одностороннее накопление пластических деформаций, особенно при ассиметричном нагружении.

В зависимости от режима нагружения и типа материала разрушение может быть: усталостным, квазистатическим или промежуточным. Усталостное разрушение происходит вследствие образования и развития усталостной трещины и имеет место в случае жёсткого режима нагружения всех типов материалов. Квазистатическое разрушение или потеря несущей способности, происходит вследствие локализации существенных пластических деформаций, сопровождающейся образованием шейки с последующим разрушением. Промежуточное разрушение предполагает одновременную локализацию пластических деформаций и возникновение усталостной трещины.

1.2.1 Критерии разрушения деформационного типа

Широкое распространение при малоцикловом нагружении получили деформационные критерии. Применение деформационных критериев основывается на утверждении, что усталостное повреждение материала связано с изменением его деформационных характеристик, т. к. долговечность в малоцикловой области определяется величиной пластической или полной деформации за цикл упругопластического деформирования.

Для описания основных закономерностей усталостного разрушения используют соотношение С. Мэнсона [50, 92]

Л £ = (1.1)

где Л £ &) - размах пластической деформации;

N - число циклов до разрушения; т и С - постоянные.

Обобщая экспериментальный материал, Л. Коффин [36, 82] установил значения постоянных, входящих в уравнение (1.1). При этом показатель

степени т = 0,5 он принимал одинаковым для всех материалов, а

постоянную С использовал равной у , где ги - истинная деформация при

статическом разрыве. Впоследствии и С. Мэнсон [50] и другие авторы предлагали различные значения параметров уравнения (1.1):

- Коффин [83] принимал значения т = 5, С = 0,5 ги;

- Мартин [94] принимал значения т = 0,55-0,66, С = (0,7-1,2) £и;

- Мэнсон [50] принимал значения т = 0,5-0,6, С = (0,87-1,0) ги;

- Либертини [90] принимал значения т = 0,57, С = 0,9 ги;

- Новожилов [51] принимал значения т = 0,5, С = 0,9 £и.

При числах нагружения до разрушения более 104 пластическая составляющая деформации становится соизмеримой с упругой. Для этого случая предлагались соотношения [93, 38, 34]:

Л г • Ык = С + 3 ,5 — ■ ы(к ~ 0 ' 1 2 }, (1.2)

р ' ' Е р

2<Т-Л Е

Л г-Ы^С+^-Ы™ (1.3)

Л г • Ырк = С • Ыр(т "0 '6) + 2 • ^ • Ы0т. (1.4)

Здесь - размах суммарной упругопластической деформации,

- предел прочности; Е - модуль упругости;

- число циклов до разрушения;

Ы0- число циклов, при котором определён предел выносливости о-1; к и т - постоянные.

Влияние асимметрии на долговечность при жёстком нагружении записывается на основе уравнения [24]:

= (3))™> (1.5)

где - средняя деформация в цикле нагружения.

Согласно [105, 55, 99] условие разрушения, учитывающее влияние средней деформации при жёстком нагружении асимметричного цикла, имеет вид:

+ (Лр-1 ) [ а = 1, (1.6)

-тах

где £тах - максимальная деформация;

1 а

т = - - показатель степени уравнения (1);

Яе - коэффициент асимметрии деформации, который определяется в виде:

Я е > ^СЛ И \£тах\ " \^тт \»

£тт

_ етЫ (1.7)

На основании гипотезы, что в области больших чисел циклов долговечность определяется пределом выносливости, Б. Лэнджером предложена зависимость:

Л £ = -1п — Л- 0 ■ (1.8)

2 1—ф Е у '

где у - коэффициент относительного сужения материала.

И.А. Биргер предложил объединяющую уравнения Мэнсона и Лэнджера зависимость [3-5]:

1

Л е = (1 '6 Л- 0 ■ 6 + , (1.9)

где т - тангенс угла наклона кривой усталости; Я0 - база определения предела выносливости.

При высоких температурах на долговечность в малоцикловой области влияет длительность цикла нагружения. Л. Коффин учёл это влияние в следующем уравнении [84]:

+ (1-к)+*1 , (1.10)

где - частота нагружения;

А, С, к, а, п, к1 - постоянные, зависящие от температуры.

1.2.2 Обобщённая диаграмма упругопластического деформирования

Обобщённая диаграмма упругопластического деформирования была предложена Р.М. Шнейдеровичем [64]. Эта диаграмма относится к

<г

Рисунок 1.1 - Схема обобщённой диаграммы циклического упругопластического

нагружения [64]

определённому номеру полуцикла растяжения или сжатия (рисунок 1.1), причём ординаты представляют собой напряжения, отсчитываемые от начала разгрузки в данном полуцикле, а абсцисса представляет собой упругопластические деформации, отсчитываемые от тех же точек, что и

напряжения. Обычно используют безразмерные координаты 5 = 57ау, £ = £/£у; где ау и £у - напряжение и деформация, соответствующие пределу текучести.

Аналитическое выражение для деформаций в к-м полуцикле представляются в виде:

£(к) = 5 + + при 5>5у , (1.11)

где Р(5) - функция ординат исходной диаграммы деформирования; К) - экспериментальная функция числа циклов. На основе обобщения экспериментальных данных вводилась эмпирическая зависимость Р(5), причем уравнение (1.8) принимает следующий вид:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Пахоментов Александр Владимирович, 2020 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Азимов, Р. А. Расчётное определение ресурса основных деталей газотурбинных двигателей при малоцикловом нагружении / Р. А. Азимов, А. В. Пахоменков, С. А. Букатый // Изв. Вузов. Авиационная техника. - Казань, - 2017. - № 3. - С. 3-8;

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

3. Биргер, И. А. Детерминированные и статистические модели долговечности. / И. А. Биргер // Проблемы надежности летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1985. - С. 105-150;

4. Биргер, И. А. Ресурс и эквивалентные испытания авиационных двигателей. / И. А. Биргер // Труды УАИ, 1976. - Вып. 4. - С. 17-48;

5. Биргер, И. А. Прогнозирование ресурса при малоцикловой усталости. / И. А. Биргер // Проблемы прочности. - 1985. - №10. - С. 39-44;

6. Буглов, Е. Г. Исследование усталости стали при бигармоническом нагружении. / Е. Г. Буглов, Э. А. Коликов, М. Я. Филатов // Проблемы прочности. - 1970. - №1. - С. 46-49;

7. Буглов, Е. Г. Малоцикловая усталость и некоторые свойства кривой гистерезиса конструкционных материалов при двухчастотном нагружении. / Е. Г. Буглов // Прочность материалов и конструкций. - Киев: Наукова думка. - 1975;

8. Букатый, А. С. Методическое руководство по применению критериев для анализа НДС и оптимизации конструкции ответственных деталей ГТД. / А. С. Букатый, И. Б. Андреев, С. А. Букатый // МЕТОДИКА 408-00-45-00648-М-2016. - ОАО «НПО «Сатурн», - 2016. - 32 с.;

9. Букатый, А. С. Разработка критериев анализа напряжённо-деформированного состояния деталей ГТД в упругопластической области / А. С. Букатый, С. А. Букатый // Материалы Международной н.-т. конф.

«Проблемы и перспективы развития двигателестроения». - Самара: Самарский университет. - 2016, - в 2-х Ч. - Ч. 2. - С. 66-68;

10. Букатый, А. С. Оптимизация конструкции ответственных деталей ГТД на основе критериев напряжённого состояния / А. С. Букатый, С. А. Букатый, И. Б. Андреев // Вестник Рыбинского государственного авиационного технического университета имени П.А. Соловьёва. - Рыбинск, 2016. - № 4 (39). - С. 4-12;

11. Букатый, С. А. Методика прогнозирования малоцикловой усталости ответственных деталей ГТД на основе эквивалентных испытаний образцов с концентраторами напряжений. / С. А. Букатый, А. В. Пахоменков, Г. А. Солнцев, А. С. Букатый // МЕТОДИКА 408-00-45-01727-М-2018. - ОАО «НПО «Сатурн», - 2018. - 23 с.;

12. Букатый, С. А. Прогнозирование малоцикловой долговечности деталей ГТД на основе эквивалентных испытаний образцов с концентратором напряжений / С. А. Букатый, А. В. Пахоменков, Г. А. Солнцев, А. С. Букатый // Сборник тезисов Международного форума двигателестроения. Научно-технический конгресс по двигателестроению (НТКД-2018). - Москва: «Ваш успех». - 2018. - Том 2. - С. 276-280;

13. Букатый, С. А. Прогнозирование малоцикловой долговечности деталей газотурбинного двигателя методом эквивалентных испытаний образцов с концентратором напряжений при растяжении-сжатии / С. А. Букатый, А. В. Пахоменков, Г. А. Солнцев, А. С. Букатый // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. - Самара. - 2018. - Том 17. - № 2. - С. 37-46;

14. Букатый, С. А. Метод эквивалентных испытаний для прогнозирования малоцикловой долговечности крупногабаритных деталей ГТД на основе испытаний образцов с концентратором напряжений / С. А. Букатый, А. В. Пахоменков, Г. А. Солнцев, А. С. Букатый // Проблемы и перспективы развития двигателестроения: материалы докладов междунар.

науч.-техн. конф. 12-14 сентября 2018 г. - Самара: Изд-во Самарского университета. - 2018. - С. 210-211;

15. Букатый, С. А. Проектирование и совершенствование конструкции крупногабаритных деталей газотурбинных двигателей по заданной малоцикловой долговечности на основе эквивалентных испытаний образцов / С. А. Букатый, А. В. Пахоменков, Г. А. Солнцев, А. С. Букатый // 17-я Международная конференция «Авиация и космонавтика - 2018». 19-23 ноября 2018 года. Москва. Тезисы. - Типография «Люксор». - 2018. - С. 111112;

16. Букатый, А. С. Методология оптимизации конструкции и технологии поверхностного упрочнения авиационных деталей на основе критерия жёсткости напряжённо-деформированного состояния: автореф.... докт. техн. наук: 01.02.06 / А.С. Букатый. - Самара, - 2019. - 36 с.;

17. Временное положение об установлении и увеличении ресурсов и сроков службы газотурбинных двигателей гражданской авиации, их агрегатов и комплектующих изделий. // ФГУП «ЦИАМ им. П. И. Баранова». - 2006. - 80 с.;

18. Гаденин, М. М. Особенности развития деформаций и накопления повреждений при двухчастотном малоцикловом нагружении и повышенных температурах. / М. М. Гаденин. Машиноведение. - 1976. - №1. - С. 66-79;

19. Гадолина, И. В. Влияние методов схематизации на точность оценки ресурса. / И. В. Гадолина, И. М. Петрова // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 1997. - №1. - С. 71-76;

20. Гаруд, С. Новый подход к расчёту усталости при многоосных нагружениях / С. Гаруд // В кН.: Теоретические основы инженерных расчётов: Русский перевод. - М.: Мир, - 1981, - С. 41-50;

21. Городецкий, В. Н. Расчёт напряжённого состояния в пластине с отверстием при циклических деформациях применительно к разупрочняющимся материалам / В. Н. Городецкий, Н. А. Махутов // В кН.:

Сопротивление деформированию и разрушению при малом числе циклов нагружения. - М.: Наука. - 1967. - С. 141-151;

22. Гусев, А. С. Сопротивление усталости и живучесть конструкций нагрузках. / А. С. Гусев. - М: Машиностроение. - 1989. - 248 с.;

23. Гусев, А. С. Расчет конструкций при случайных воздействиях. / А. С. Гусев, В. А. Светлицкий. - М.: Машиностроение. - 1984. - 240 с.;

24. Гусенков, А. П. Прочность при изотермическом и неизотермическом малоцикловом нагружении / А.П. Гусенков. - М.: Наука. -1979. - 296 с.;

25. Гусенков, А. П. Характеристики сопротивления малоцикловому деформированию и разрушению в связи с выбором материалов при конструированию / А.П. Гусенков, А.Н. Романов // Доклады на всесоюзном симпозиуме по вопросам малоцикловой усталости. - Каунас: КПИ. - 1971. -28 с.;

26. Даунас, М. А. Исследование накопления повреждений при нестационарном малоцикловом мягком нагружении / М. А. Даунас, Р. А. Стасюнас // Проблемы прочности. - 1976. - № 11. - С. 11-21;

27. Демьянушко, И. В. Расчёт на прочность вращающихся дисков / И. В. Демьянушко, И. А. Биргер. - М.: Машиностроение. - 1978. - 247 с.;

28. Заверюха, Г. Г. Влияние формы цикла на сопротивление усталости образцов при бигармоническом нагружении с малым соотношением частот. Выносливость элементов авиационных конструкций. / Г. Г. Заверюха // Тр. ЦАГИ. - Вып. 2033. - М.: ЦАГИ. - 1980. - С. 50-55;

29. Зайцев, Г. З. Усталостная прочность деталей гидротурбин. / Г. З. Зайцев, А. Я. Аронсон. - М.: Машиностроение. - 1975. - 160 с.;

30. Зайцев, Г. З. Методика и оборудование для исследования усталостной прочности металлов при двух частотном нагружении. / Г. З. Зайцев, Д. М. Шур, Р. М. Фараджов, Е. И. Мамаева // Заводская лаборатория. - 1974. - №7. - С. 863-866;

31. Кишкин, Б. П. Конструкционная прочность материалов / Б.П. Кишкин. - М.: Изд -во Моск. ун-та. - 1976. - 184 с.;

32. Когаев, В. П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность. / В. П. Когаев, Н. А. Махутов, А. П. Гусенков. М: Машиностроение. - 1985. - 224 с.;

33. Когаев, В. П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени. / В. П. Когаев. - М.: Машиностроение. - 1993. - 364 с.;

34. Конструкционная прочность материалов и газотурбинных двигателей / Под ред. И. А. Биргера, Б. Ф Балашева. - М.: Машиностроение. - 1981. - 222с;

35. Костюк, А. Г. Критерий прочности материалов при малоцикловой усталости при сложном напряжённом состоянии / А. Г. Костюк, А. Д. Трухний, В. Н. Мичухин. - М: Машиноведение. - 1974. - № 5. - С. 63-67;

36. Коффин, Л.Ф. Исследование термической усталости применительно к компенсационной способности высокотемпературных трубопроводов / Л.Ф. Коффин // В кн.: Жаропрочные сплавы при изменяющихся температурах и напряжениях. - М.; Л.: Госэнергоиздат. -1960. - С. 259-279;

37. Кузнецов, Н. Д. Эквивалентные испытания газотурбинных двигателей / Н. Д. Кузнецов, В. И. Цейтлин. - М.: Машиностроение. - 1976. -216 с.;

38. Ленджер, Б. Ф. Расчет сосудов давления на малоцикловую усталость / Б. Ф. Ленджер // В кн.: Теоретические основы инженерных расчетов: Русский перевод. - М.: Мир. - 1962. - №3. - С. 97-112;

39. Лефебр, Д. Критерий малоциклового усталостного разрушения при двухосном напряжённом состоянии / Д. Лефебр, К. Нил, Ф. Эльян // В кН.: Теоретические основы инженерных расчётов: Русский перевод. - М.: Мир. - 1981. - № 1. - С. 1-6;

40. Маттави, Ж. Малоцикловая усталость в условиях двухосного распределения деформаций / Ж. Маттави // В кн.: Теоретические основы инженерных расчётов: Русский перевод. - М.: Мир. - 1969. - № 1. - С. 24-34;

41. Махутов, Н. А. Кинетика малоциклового разрушения при повышенных температурах / Н. А. Махутов // В кн.: Исследование малоциклового разрушения при повышенных температурах. - М.: Наука. -1975. - С. 46-52;

42. Махутов, Н. А. Уравнения состояния при малоцикловом нагружении / Н. А. Махутов, М. М. Гаденин, Д. А. Гохфельд и др. // - М: Наука. - 1981. - 243 с.;

43. Махутов, Н. А. Анализ малоцикловой долговечности в связи с асимметрией цикла нагрузки / Н. А. Махутов, В. М. Тарасов // Проблемы прочности. - 1969. - №1. - С. 30-34;

44. Медекша, Г. Г. Обобщенная диаграмма циклического деформирования при асимметричном цикле нагружения / Г. Г. Медекша, Р. М. Шнейдерович. - Машиноведение. - 1967. - №3. - С. 55-62;

45. Медекша, Г. Г. Прочность при асимметричном нагружении с малым числом циклов / Г. Г. Медекша. - Машиноведение. - 1968. - №2. - С. 64-68;

46. Методика определения запасов по циклической долговечности для установления ресурса основных деталей на основе данных о сопротивлении материалов малоцикловой усталости. // ФГУП «ЦИАМ им. П. И. Баранова». - 2006. - 46 с.;

47. Морроу, И. Оценка усталостной прочности сплавов, инконель 713С и воспалой при малом числе циклов / И. Морроу, Т. Тьюллер // В кн.: Теоретические основы инженерных расчётов: Русский перевод. - М.: Мир. -1965. - № 2. - С. 8-15;

48. Муралидхаран, У. Модифицированное уравнение с универсальными показателями степени для оценки усталостных

характеристик металлов/ У. Муралидхаран, С. Мэнсон // Теоретические основы инженерных расчётов. - 1988. - № 4. - С. 87-92;

49. Муратов, Р. Х. Многокритериальное оптимальное проектирование основных деталей роторов ГТД для ожидаемых условий эксплуатации/ Р.Х. Муратов// Автореф. дис. канд. тех. наук. - Пермь. - 2004. - 16 с.;

50. Мэнсон, С. Температурные напряжения и малоцикловая усталость / С. Мэнсон // Перевод с англ. - М.: Машиностроение. - 1974. -344с.;

51. Новожилов, В. В. О перспективах феноменологического подхода к проблеме разрушения / В. В. Новожилов // В кн.: Прогнозирование прочности материалов и конструктивных элементов машин большого ресурса. - Киев. Наукова думка. - 1977. - С. 143-152;

52. Новожилов, В. В. О перспективах феноменологического подхода к проблеме разрушения. Механика деформируемых тел и конструкций. / В. В. Новожилов. - М: Машиностроение. - 1975. - 349-359 с.;

53. Нормы прочности авиационных ГТД // Издание 6. - М: ЦИАМ. -2004. - С. 146-150;

54. Нэйбер, Г. Проблема концентрации напряжений в научных исследованиях и технике / Г. Нэйбер, Г. Хан // В кН.: Теоретические основы инженерных расчётов: Русский перевод. - 1967. - № 3. - С. 24-31;

55. Ойик, П. Кумулятивное повреждение и влияние средней деформации в случае малоцикловой усталости алюминиевого сплава 2034-Т351 / П. Ойик, В. Миллер, Ж. Марин // В кн.: Теоретические основы инженерных расчетов: Русский перевод. - 1966. - 14. - С. 25-37;

56. Патент РФ №2211442, G01M 15/00. - 2003 г.;

57. Пашков, П. О. Пластичность и разрушение металлов. / П. О. Пашков. - Л.: Судпромгиз. - 1950. - 259 с.;

58. Положение об установлении ресурсов газотурбинных двигателей гражданской авиации, их агрегатов и комплектующих изделий. // Издание 3.

- ЦИАМ. - ГосНИИ ГА. - Москва. - 1994. - 18 с.;

59. Портер, А. М. Исследование процессов накопления повреждений и разрушения валов и дисков ГТД из материалов ЭИ-961 в зависимости от длительности действия максимальных напряжений в цикле нагружения / А. М. Портер, С. А. Букатый, А. А. Округин // Вестник Рыбинской государственной технологической академии имени П.А. Соловьева -Рыбинск. - 2008. - № 2(14). - С. 65-74;

60. Портер, А. М. К вопросу о выборе эквивалентного нагружения стандартных гладких образцов для определения малоцикловой долговечности основных деталей ГТД / А. М. Портер, Г. П. Матвеенко, С. А. Букатый // Материалы докладов междунар. науч. -техн. Конференции 2006 г -Самара: СГАУ. - 2006. - В 2-х Ч. - Ч.2. - С. 115-116;

61. Порядок проведения расчётов по оценке запасов статической прочности дисков компрессоров и турбин. // ЭКСПРЕСС СПРАВКА 408-00-45-0090-ЭС-2014. - ОАО «НПО «Сатурн». - 2014. - 32 с.;

62. Райхер, В. Л. Гипотеза спектрального суммирования и ее применение для определения усталостной долговечности при действии случайных нагрузок. / В. Л. Райхер. //Труды ЦАГИ. - Вып. 1134. - М. - 1969.

- 39 с.;

63. Романов, А. Н. Энергетические критерии разрушения при циклическом нагружении (обзор). / А. Н. Романов. // Проблемы прочности. -1971. - №3. - С. 3-9;

64. Серенсен, С. В. Прочность при малоцикловом нагружении / С. В. Серенсен, Р. М. Шнейдерович, А. П. Гусенков, Н. А. Махутов и др. - М.: Наука. - 1975. - 287 с.;

65. Серенсен, С. В. Сопротивление деформированию и разрушению при малом числе циклов нагружения / Под ред. С. В. Серенсена. - М.: Наука. - 1967. - 169 с.;

66. Серенсен, С. В. Прочность при малом числе циклов нагружения / Под ред. С. В. Серенсена. - М.: Наука. - 1969. - 257 с.;

67. Серенсен, С. В. Поля деформаций при малоцикловом нагружении / С. В. Серенсен, В. М. Шнейдерович, Н. А. Махутов и др. - М.: Наука. -1979. - 276 с.;

68. Серенсен, С. В. Прочность при малоцикловом нагружении / С. В. Серенсен, Р. М. Шнейдерович, А. Л. Гусенков, Н. А. Махутов и др. - М.: Наука. - 1975. - 297 с.;

69. Смирнов-Аляев Г. А. Сопротивление материалов пластическому деформированию. Инженерные расчёты процессов конечного формоизменения материалов. // Изд. 3-е, переработ. и доп. - Л.: Машиностроение. - 1978. - 368 с.;

70. Стасюнас, Р. А. Сопротивление материалов / Р. А. Стасюнас, М. А. Даунис // В кН.: Материалы конференции по внедрению результатов научных исследований, проводимых в вузах республики. - Каунас. - 1973, -С. 82-91;

71. Стрижало, В. А. Влияние кинетики упругопластических напряжений и деформаций на расчетное определение малоцикловой долговечности пластин с отверстием. / В. А. Стрижало, В. И. Скрипченко. // В кн.: Материалы III Всес. симп. по малоцикловой усталости. - Вильнюс. -1979. - Вып. I. - С. 131-134;

72. Стрижало, В. А. Определение долговечности конструктивных элементов при малоцикловом нагружении с учетом кинетики напряженно-деформированного состояния в области концентратора напряжений. / В. А. Стрижало, В. И. Скрипченко. // Проблемы прочности. - 1980. - №4. - С. 41-44;

73. Тех. отчет №10468 «Обоснование банка данных по основным характеристикам прочности, используемым в САПР турбины и компрессора ГТД». - ЦИАМ. - 1985 г.;

74. Техническая процедура № SaM146-PWJ-TEC-PRO-ENG-00070-03 «Методика проверки срока службы, указанного в технической характеристике». - PowerJet. - 2017. - 73 с.;

75. Филатов, М. Я. Определение долговечности материалов при наличии концентрации напряжений в условиях бигармонического нагружения. / М. Я. Филатов // Проблемы прочности. - 1970. - №3. - С. 2023;

76. Фридман, Я. Б. Механические свойства металлов. Изд.3-е, перераб. и доп. В двух частях. Часть первая. Деформация и разрушение / Я.Б. Фридман. - М.: Машиностроение, - 1974. - 472 с.;

77. Хамаза, Л. А. Сопротивление металлов усталостному разрушению и деформированию при двухчастотном нагружении. / Л. А. Хамаза, В. А. Коваленко // Сообщение 1. Методика и результаты исследования усталости и неупрутости металлов при двухчастотном циклическом нагружении. - Проблемы прочности. - 1989. - №10. - С. 7-13;

78. Хамаза, Л. А. Сопротивление металлов усталостному разрушению и деформированию при двухчастотном нагружении. / Л. А. Хамаза, В. А. Коваленко // Сообщение 2. Методика оценки циклической долговечности при двухчастотном нагружении. - Проблемы прочности. - 1989. - №10. - С. 13-18;

79. Цейтлин, В. И. Оценка циклической долговечности деталей, работающих при сложных программах нагружения./ В. И. Цейтлин, Д. Г. Федорченко // Проблемы прочности. - 1983. - №2. - С. 13-19;

80. Шереметьев, А.В. Прогнозирование циклической долговечности и установление ресурсов основных деталей авиационных ГТД / А. В. Шереметьев // Материалы Х Международного конгресса

двигателестроителей. Авационно-космическая техника и технология. - № 8. -2005. - 5 с.;

81. Эльин, Ф. Усталость при высоких амплитудах деформаций в условиях многоосного нагружения / Ф. Эльин, В. Валер // В кН.: Теоретические основы инженерных расчётов: Русский перевод. - М.: Мир. -1983. - № 3. - С. 8-17;

82. Coffin, L. F. Study of the effects of cyclic thermal stresses on a ductile Baustoffes / L. F. Coffin // Bauingenilur. - 1932. - №3. - Р. 261-267;

83. Coffin, L. F. Low cycle fatigue: a Review / L. F. Coffin. // Appl. Materials Research. - 1962. - №3. - Р. 427-443;

84. Coffin, L. F Jr. Fatigue at High Temperature - Predictionand Interpretation. / L. F Jr. Coffin // ZProc. of the Inst. Mech. Engrs. - 1974. - V.88. -№9. - P. 17-26;

85. Feltner, C. E. Microplactic hysteresis energy as a criterion for fatigue fracture / C. E. Feltner, I. D. Morrow // I. Basic. Eng. D.. - 1961. - N1. - March. -Р. 15-21;

86. Feltner, C. E. Microplastic Strain Hysteresis Energy as a Criterion for Fatigue Fracture. / C. E. Feltner, J. D. Morrow // Trans. ASME. - 1961. - V.83. -№1. - P. 15-22;

87. Halford, G. R. Low - cyclic fatigue in torsion / G. R. Halford, J. D. Morrow // Proc. Amer. Sos. Of Testing and Materials. - 1962. - vol. 62. - Р. 697707;

88. Hanstock, R. F. Damping Capacity Strain Hardening and Fatigue / R. F. Hanstock // Proceeding Phisival Society. - 1947. - vol. 59. - Р. 275-287;

89. Jonson, W. Low endurance fatigue of mild steel in torsion / W. Jonson, J. Lamble, H. Abdel - Aziz // Proc. Of the Second Conf. on dimensioning and Strength Calculation, Budapest. - 1965. - Р. 313-336;

90. Libertiny, G. Z. The use of short life fatigue data in design / G.Z. Libertiny // Proc. of the third conf. on dimensioning and strength calculation. -Budapest, Academia Kiado. - 1968. - P. 133-139;

91. Manson, S. S. Fatigue: A Complex Subject - Some Simple Approximations / S. S. Manson // Proceedings. Society of Experimental Stress Analysis. - Vol. 12. - No. 2. - 1965;

92. Manson, S. S. Behavior of materials under conditions of thermal stress / S. S. Manson // Heat Transfer Symp. Univ. Eng. Res. Inst.. - 1953. - P. 9-75;

93. Manson, S. S. A Complex - Subject-Same simple approximations / S. S. Manson // Experim. Mechan.. - 1965. - №3. - P. 193-226;

94. Martin, D. E. An Energy Criterion for low cycle fatigue / D. E. Martin // Trans.-ASTM. - 1961 (83). - №4;

95. Martin, D. E. An Energy Criterion for Low-Cyele Fatigue / D. E. Martin // Basic Eng. - 1961. - V.83. - №4. - P. 565-571;

96. Maxco, S. M. A Concept of Fatigue Damage. / S. M. Maxco, W. L. Starkey // Transactions of ASME. - 1954. - V.76. - №4. - P. 627-632;

97. Morrow, I. D. Unweestigation of Plastic Strain Energy as a Criterion for Finite Fatigue Life / I. D. Morrow // The Corret Corporation Report, Phachiz Aziz, - 1950;

98. Neuber, H. Theory of stress concentration for shear-strained prismatical bodieswith arbitrary nonlinear stress-strain law / H. Neuber //Trans. ASME E/ Appl/ Mech/ - 1961. -28. - P. 544-550;

99. Sauts, G. Low-cycle fatigue of pressure vessel materials / G. Sauts, W. Gerberich, V. Weiss, J. Latorre // Proc. ASTM.. - vol.60. - 1961. - P. 512-529;

100. Starkey, W. Effects of Complex Stress-Time Cycles on the Fatigue Properties of Metals. / W. Starkey, S. Marco // Transactions of ASME. - 1957. -№6. - P. 1329-1336;

101. Stowell, E. Z. The Calculation of Fatigue Life in the Pressure of stress Concentration / E. Z. Stowell // Nuclear Eng. And Design. - 1968. - №3. - P. 221233;

102. Thang- Bai - Quok. Cyclik Stress, Strain and Energy Variations under Cutulative Damage Tests in Low - Cycle Fatigue / Thang- Bai - Quok // J of Testing and Evalnation. - 1973. - N 1. - P. 58-64;

103. Yamada, T. Investigation of Fatigue Strength of Metals under Actual Service Loads (With Two Superimposed Cyclic Loadings). / T. Yamada, S. Kitagawa // Bulletin of JSME. - 1967. - T.10. - №38. - P.245-252;

104. Yatnada, T. Investigation of the Fatigue Strength of Metals under Actual Service Loads (In the Case of Two Superimposed Cyclic Stress Waves). / T. Yamada, S. Kitagawa // Transactions of JSME. - 1966. - T.32. - №239. - P. 1Q21-1Q27;

105. Yao, J.T.P. Low-cycle axial fatigue behavior of mild steel / J.T.P. Yao, W.H. Munse // ASTM., Spec. Tech. Public.. - 338. - 1962. - P. 5-24.

СПИСОКСОКРАЩЕНИЙ

ВТК вихретоковый контроль

ГТД газотурбинный двигатель

ЖНС жёсткость напряжённого состояния

КНД компрессор низкого давления

КЭМ конечно-элементная модель

МКЭ метод конечных элементов

МЦУ малоцикловая усталость

НДС напряжённо-деформированное состояние

НС напряжённое состояние

НТД нормативно-техническая документация

ОТПЦ обобщенный типовой полётный цикл

ТНД турбина низкого давления

ЦД циклическая долговечность

ЭЦИ эквивалентные циклические испытания

НР назначенный ресурс

ОД основная деталь

ТПЦ типовой полетный цикл

ПРИЛОЖEHИЯ

Определение функции кривой долговечности на основе аппроксимации экспериментальных данных в Excel и использования программы Grafula.exe

Вследствие больших затрат и трудоёмкости проведения эквивалентных испытаний образцов на выносливость, количество вариантов испытаний ограничено. Поэтому, несмотря на то, что в Excel на основе сплайн-аппроксимации строится необходимая зависимость (рисунок 4.9, средний график), из-за малости данных не удаётся описать с достаточной точностью кривую выносливости одной функциональной зависимостью. В таких случаях рекомендуется приближённая методика увеличения количества необходимых точек на кривой долговечности, позволяющая построить в Excel необходимую единую функцию в виде полинома. Степень полинома выбирается на основе визуальной оценки приближения графика к задаваемым данным - точкам.

Порядок действий:

1. На основе результатов испытаний образцов в Excel строится кривая долговечности в координатах = F (ln N). Здесь и далее для удобства

обозначений и графических построений порядок величины -10 6 не учитывался.

2. Полученный график копируется - (Alt+PrtScn) в виде скриншота (рисунок П. 1-1).

3. Для увеличения точности последующих графических построений вставляем этот скриншот в Word - (Ctr - V), удаляем обрезкой лишнюю информацию, увеличиваем рисунок - график до размеров страницы (рисунок П.1- 2), выделяем и копируем его в буфер - (Ctrl - С).

pgp Вставить _„ • J Буфер обмена 1й - Кривые долговечности в Excel обр d=3,6MM.xlsx - Microsoft Excel □ [Й] £3 dv В стае к a Pai r-'t [ I- d страницы Формулы Данные Рецензидоеание Еш @ u [if1 й

1 Cal¡br¡ " ^ 111 — = И s ш ж m Ш-W ÏW 1 &S- Выравнивание Ъ LÜJ-:-LEL Тибщии Условное форматирование т ^ Форматировать как таблицу т Стили ячеек т Стили д4" Вставить т Удалить т ЩФормат т Ячейки s. & & Сортировка Найти и и фильтрт выделить* Редактирование

Ж л- Ч ■ 1 А" А ж- 1 а.. Д- Шрифт (м 7= ООО *>а ,па Число ь

Р15 - J" J& »

А А Б с D E F G H I J

61 IgW ei 10 9,5 9 8,5 8 7,5 7 6,5 6 3 г

62 3,908699 9,74822

63 4,099991 9,19643

64 4,318335 7,79857

65 4,770499 6,29036

66

67

68

69

70

71

72

73

74 -♦-Ряд!

75

76

1 1 1 1 1 1

И < ► ► J Иигт! , игт ' И 1мгт-; , VJ У [if^ пи I k I

Рисунок П.1-1

4. Вставляем этот скриншот из буфера в Paint - (Ctrl - V) (рисунок П. 1-

3).

Рисунок П.1- 2

5. Сохраняем его в формате BMP, например, «График_1.ВМР» (рисунок П.1- 4).

3,9 4,1 4,3 4,5 4,7 4,9

Рисунок П.1- 3

Р D:\Working\ Документы Букатого СД\!!!!!!!! В работе',! ! Ме...Щ|м1Е1

0ОЧ-ь ! Методика прогноз.,, - График ■»■ 1 поиск: ... ||Й||

н

Файл Правка Вид Упорядочить т ^ Сервис Справка Открыть т Печать Новая папка [( т 0] @

^ Избранное Э Библиотеки ■ Видео [3| Документы zi

Выбрано элементов: 1 | Компьютер

Рисунок П.1- 4

6. Запускаем редактор ОгаШ1а и открываем этот файл (рисунок П. 1- 5).

7. Назначаем на картинке оси (рисунок П. 1- 6) - в Меню программы последовательно выделяем соответствующие иконки - выделено красным. Для более точного позиционирования курсора можно пользоваться экраном «Лупа».

Певый щелчок - совмещаем начало координат осей (оси выделены синим

цветом) с началом координат открытого графика: 3,9 - 6;

второй - помещаем курсор в крайнее значение оси Х - 4,9;

третий - помещаем курсор в крайнее значение оси Y - 10.

На экране «Положение осей» (рисунок П.1-7) выставляем соответствующие

значения осей.

Рисунок П.1- 5

8 Включаем режим расстановки точек (рисунок П. 1-8) и мышью на графике расставляем необходимое количество точек (не менее 10, в данном случае сделано 15 точек) - выделены красным цветом. От количества точек и точности их расстановки на графике зависит точность соответствия полиномиальной зависимости заданному графику. Для повышения точности расстановки точек пользуемся экраном «Лупа».

Файл Гкхып 1:1 н м Оцифря»^ ^^ Дайлш; гстчщь тмииЩтк 141 1 1СНМ«1внйш«11 У р1 Ямшша! и х| в| ®]г1

10 < 9 8,5 8 7,5 7 6,5 10 Г" а

X рЙ-1" [«

3 <1 9 4,1 4,3 4,5 4,7 4,9

ак, стт—стаи тин 1-ь тойот твстгпдтаэтгжгтвв»-,--

Рисунок П.1- 8

9 Координаты всех введённых точек появляются в отдельном текстовом окне «Текстовый файл на запись / копирование в буфер», либо в Меню «Данные» выбираем опцию «Копировать данные таблицы в буфер обмена». Копируем данные в буфер обмена и вставляем из буфера в Ехе1 -(С1х1+У). Строим график и выводим уравнение полиномиальной зависимости с максимально возможной степенью - 6 (рисунок П.1- 9): у = 220,42x6 - 5720,6x5 + 61774x4 - 355268x3 + 1Е+06х2 - 2Е+06х + 1Е+06.

10 Если полученный график в некоторой области (в данном случае в области значения 4,7 аргумента) имеет существенные отклонения от заданной кривой, то в редакторе Grafula в соответствии с п. 8 увеличиваем в этой области количество точек и повторяем по п. 9 построение графика с выводом уравнения. Например, увеличение количества точек до 21 в области X > 4,5 устранило отклонение графика (рисунок П. 1-10) с выводом уточнённого уравнения:

у = 171,44x6 - 4449,9x5 + 48053x4 - 276322x3 + 892384x2 - 2E+06x + №+06.

Рисунок П.1- 9

*-

! В Приложение_Кривые долговечности в Ехсе! обр с1=3,бмм,х15х - МкгозоЛ!

Фа И ая Вешка Разметк ¡страницы Формы Данные Рецензирование Вид

* Вст Буфе 1 авить - <$ э обмена 1а СаИЬп ' 11 ^ А , Ш 1Н. 1 ш г, Общий т| % ооо +,о ,00 ,00 -»,0 Число Га пи ^ ЩУсловное форматирова ^Форматировать как таб, ^ Стили ячеек * Стили

Ж К Ч - | :■ :■■: - | * - Д - ШрИфТ Га Выравнивание

012 т (*• £

А А В С О Е О Н 1

1 3,9089 9,7538

2 3,9721 9,6036

3 4,0468 9,4114 10,0000 9,5000 9,0000 8,5000 8,0000 7,5000 7,0000 6,5000

4 4,0993 9,2012

5 4,1598 8,8108

6 4,2016 8,4925

л.

7 4,2452 8,1862

8 4,3181 7,8018 \

9 4,3875 7,5255

10 4,4436 7,3273

11 4,5005 7,1411

12 4,7701 6,2823

13 4,5450 6,9910

14 4,7221 6,4324

15 4,5851 6,8709 6,0000 1111

16 4,6180 6,7688 3,9000 4,1000 4,3000 4,5000 4,7000

17 4,6456 6,6787

18 4,6740 6,5946 у = 171,44кб - 4449,9x5 + 48053x4 - 276322x3 + 892384x2 - 2Е+06х + 1Е+06

19 4,7034 6,4985

20 4,7416 6,3784 ^ = 0,9996

21 4,7559 6,3303

П

Рисунок П.1-10

Утверждаю

Генеральный конструктор ^ПАО"7<ТЗД,К - Сатурн»

Р.В. Храмин

2018 г.

АКТ

Для прогнозирования малоцикловой усталости, а также для оптимизации конструкции и геометрических параметров крупногабаритных и ответственных деталей ГТД в качестве рекомендаций по расчётам в ПАО «ОДК - Сатурн» внедрена в расчётную практику КО «Прочность» ОКБ-1 Методика 408-00-45-01727-М-2018 - «Методика прогнозирования малоцикловой усталости ответственных деталей ГТД на основе эквивалентных испытаний образцов с концентраторами напряжений».

Настоящий Акт составлен для представления в диссертационный совет.

Главный конструктор по ПД-35 и изд. 156

Начальник КО «Прочность»

Утверждаю

Генеральный конструктор

АКТ

Для выполнения расчетно-аналитического обоснования на этапе продления ресурса модуля КНД двигателя АЛ-55И специалисты конструкторских отделов ОКБ-1 применяли методику 408-00-45-01727-М-2018 «Методика прогнозирования малоцикловой усталости ответственных деталей ГТД на основе эквивалентных испытаний образцов с концентраторами напряжений».

Настоящий акт составлен для представления в диссертационный совет,

Главный конструктор двигателей АЛ-55И, "РФ11, НК-32

В .А. Павлов

«¿У» ¿Ц 2020 г.

Соловьева при изучении дисциплины «Динамика и расчёт на прочность элементов ] ГД» в соответствии с учебным планом обучения по направлению 24,05.02 «Проектирование авиационных двигателей и энергетических установок».

Акт выдан для представления в диссертационный совет Д 212.210.01 по специальности 05.07.05 - Тепловые, щектроракетмые двигатели и энергоустановки летательных аппаратов.

Заведующий кафедрой

Доцент кафедры

канд. техн. наук, допел

«Авиац ион н ы е дви гатели »

IÍ.B. 13Я L ков