GH536帶孔平板試樣蠕變分析

黎方娟，古遠興

(中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

GH536帶孔平板試樣蠕變分析

黎方娟，古遠興

(中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

采用有限元方法對GH536帶孔平板試樣的蠕變響應進行了數值模擬，以圓孔半徑為尺寸參數，研究了不同圓孔半徑試樣的蠕變應力、蠕變應變分布及其隨時間的變化。計算結果表明：圓孔半徑對應力分布影響顯著，圓孔半徑越小，最大等效應力越大，最大等效應力隨時間的松弛越明顯，蠕變引起的應力重新分布越明顯；對含局部應力集中部位結構進行持久強度儲備和壽命分析時，必須考慮局部應力分布特性的影響。

GH536；局部應力集中；帶孔平板試樣；蠕變響應；火焰筒；數值模擬

1 引言

研制先進的航空發動機不僅要求性能先進，同時更加強調可靠性和耐久性。蠕變會導致航空發動機高溫零部件的塑性變形過大或產生蠕變應力斷裂，特別是渦輪前溫度進一步提高，其矛盾更加突出。如高溫環境下，溫度只增加15℃，零件的蠕變壽命就會縮短一半[1]。在構件的孔邊和圓角等應力集中部位，應力的松弛非常明顯。在固定載荷作用下，開始時應力集中部位的應力很高，由于蠕變和應力松弛的作用，使得應力逐漸降低，最后趨于平穩；而其周圍點的應力有所增加[2]。因此，對先進發動機進行熱端部件壽命預測時，必須關注結構孔邊的蠕變現象。

火焰筒摻混孔和氣膜孔邊的應力分析，是火焰筒蠕變屈曲分析和蠕變疲勞壽命預測的基礎。對于火焰筒常用材料GH536，在最新版本的《航空發動機材料數據手冊》[3]中，已能查閱到蠕變曲線，這為研究GH536材料的蠕變變形提供了支持。基于此，本文針對航空發動機火焰筒材料GH536結構的應力集中部位進行了蠕變數值模擬，研究了GH536材料結構不同應力集中形式下的蠕變響應，分析了蠕變應力、蠕變應變分布及其隨時間的變化。

2 數值分析模型

帶孔平板試樣結構如圖1所示，以標準平板蠕變試樣結構為基礎，在其對稱中心開置圓形通孔，R為圓孔半徑。試樣的幾何參數見表1，試樣厚度均為3 mm。

蠕變試驗中，試驗件兩端承受軸向拉伸載荷。根據結構及載荷的對稱性，選取1/4模型作數值分析，其有限元模型如圖2所示。分析坐標系為直角坐標系，坐標原點為試樣中心點。以帶厚度的平面應力單元模擬，厚度實常數給定為3。約束對稱面Ⅰ和Ⅱ的法向位移，在右端面Ⅲ施加沿法向的均勻拉力，其合力使對稱面Ⅰ的名義拉應力為147 MPa。對試樣施加均勻溫度650℃。對不同R，模型的約束條件和加載方式相同。

數值模擬時，首先關閉蠕變選項，計算應力應變結果；然后打開蠕變選項，計算相關的蠕變應力應變結果。

本文采用隱式蠕變方程[4]：

式中：εcr為蠕變應變；σ為等效應力；t為時間；T為溫度；C1～C4為方程系數，其中C4=0。

利用文獻[3]中的蠕變曲線，擬合了GH536材料在650℃的方程系數值C1～C3[5]，得到C1=1.086 1× 10-15，C2=4.877 40，C3=-0.134 52。參數擬合時，采用MATLAB進行最小二乘法正則方程擬合，對蠕變曲線提取的數據進行處理，并對擬合結果進行校核。結果表明，參數擬合結果可信度高，可以采用。

3 分析及討論

3.1 局部蠕變等效應力分布

各帶孔平板試樣蠕變前后的等效應力最大值見表2。Kt為彈性應力集中系數，為缺口截面最大等效應力與截面名義應力(147 MPa)之比。Kt′為600 h蠕變后，截面最大等效應力與截面名義應力之比。

在相同喉部截面平均外載作用下，應力越集中(應力集中系數越大)，局部最大應力越大。彈性應力集中系數越大，蠕變引起的應力重新分布效應越明顯，最大等效應力的下降幅度就越大。

試樣3孔附近等效應力隨時間的變化見圖3，其它開孔試樣的應力分布類似。從圖中可看出，隨著蠕變的發生，應力重新分布，圓孔N位置(圖2)附近發生松弛，應力降低，等效應力的最大值也降低，最小應力位置從圓孔35°方向變為0°方向。蠕變在各部分的發展程度不同，受局部應力集中和蠕變松弛影響，孔邊應力松弛，繼而使孔邊部分節點的蠕變應力減小，另一部分節點的蠕變應力增大。蠕變的發展減小了孔邊應力的差異，削弱了應力集中效應。

3.2 蠕變等效應力-時間分析

圖4給出了各試樣圓孔上W、N位置(圖2)的節點應力隨時間的變化。穩定階段內，各試樣等效應力最大值相近。從圖中可以看出，N處節點(應力集中點，也是等效應力最大值節點)應力受蠕變變形的影響，短時間內降低很快；應力重新分布以后，試樣很快進入穩定階段，此后應力基本趨于定值。

加載后W處的應力隨時間變化表現出不同的特性。應力集中系數的差異對W處應力的影響較大：①試樣1和試樣2的應力先急劇下降，然后緩慢上升至穩定值，穩定后的應力比初期應力小；②試樣

3也保持了初期應力下降到后期應力上升的過程，不同的是穩定后的應力比初期應力大；③試樣4、試樣5、試樣6則表現為應力隨時間上升的過程。

試樣中圓孔的存在不僅會產生應力集中，也可將應力狀態由單軸變為多軸。隨著蠕變的進行，試樣應力分布出現再分配和應力松弛現象，使截面應力梯度減小，對GH536合金蠕變壽命起到硬化作用。

3.3 蠕變應變分析

圖5是N、W位置處節點等效蠕變應變隨時間的變化曲線。可見，等效蠕變應變在N處的發展遠大于W處。隨著應力集中系數的減小，蠕變應變率減小，且蠕變應變率減小的幅度與應力集中系數減小的幅度成正比。

表3列出了關鍵點N、W在蠕變前后的蠕變應變，及初始時的局部最大等效應力。從表中可看出，隨著等效應力集中系數的增大，局部初始等效應力增大，蠕變后的等效應變也相應增大。在關鍵點N、

W均可觀察到上述特征，定性地看，蠕變損傷與應力集中系數成正比，應力集中系數越大，試樣局部的蠕變應變越大。

4 火焰筒子結構模型蠕變分析

為進一步驗證開孔對局部蠕變壽命的影響，本文對某火焰筒進行了子模型蠕變分析。首先對火焰筒的靜強度進行有限元分析，擬通過此分析獲取關鍵部位的載荷邊界，為下一步的蠕變分析提供支持。

圖6為火焰筒有限元模型及其溫度場分布圖。有限元模型采用8節點六面體單元劃分，考慮了火焰筒內環和外環上的噴嘴孔、電嘴孔、主燃孔、摻混孔、瓦片安裝螺栓孔及內外連接螺栓孔。計算模型選取整環的1/4進行計算，共計175 046個單元，261 970個節點。

數值分析坐標系為柱坐標系，軸向為發動機軸線，順氣流方向為正；徑向為背離發動機軸線，內環指向外環為正；周向根據右手法則確定。約束前端靠近頭部位置支承銷的軸向和周向自由度，在對稱剖面上施加循環對稱約束(建立UX、UY、UZ方向的CP)，內外壁面施加壓力(外壓2.589 MPa，內壓2.406 MPa)，施加三維溫度場。

有限元分析結果表明，壽命關鍵部位位于火焰筒主燃孔邊，此處也是等效應力最大處。取主燃孔附近區域進行子模型的蠕變分析，考察蠕變松弛與變形對火焰筒局部關鍵部位的影響。圖7為子模型區域的有限元模型及邊界條件。

圖8給出了典型節點的蠕變應力、應變隨時間變化的曲線。可看出，蠕變基本符合Norton規律和GH536蠕變特性，具有明顯的第1階段和第2階段。蠕變變形量不大，說明GH536材料抗蠕變性能較好。蠕變應力與應變較大的區域都位于主燃孔邊，這是由于這部分溫度較高，孔邊應力集中所致。

從等效蠕變應變來看，經過2 000 h后，蠕變應變達到約0.3%。

材料手冊上可查到GH536材料的熱強參數綜合曲線，如圖9所示。對熱強參數P的表達式變換，可得。對典型節點進行壽命預測，其蠕變斷裂壽命見表4。tf表示計算得到的蠕變斷裂壽命。

從表4中可看出，對火焰筒采用t=0時刻的應力進行蠕變斷裂壽命估計，預測壽命很低。隨著蠕變應力松弛的發生，采用松弛一段時間后的應力進行蠕變斷裂壽命估計，其預測壽命會大大提高。這也反映出利用局部應力作蠕變斷裂壽命評估時，不可忽視應力松弛的影響。

5 結論

(1)圓孔半徑對應力分布有顯著影響，孔徑越小，應力集中越強(應力集中系數越大)，在相同喉部截面平均外載作用下，局部最大應力越大。這與材料力學[6]的應力集中系數隨尺寸的變化關系相符。

(2)帶應力集中部位(孔邊、圓角等)的高溫構件，局部彈性應力集中系數越大，蠕變引起的應力重新分布效應越明顯，最大等效應力隨時間的下降幅度越大，即蠕變松弛越明顯。圓孔、缺口等應力集中部位的存在，對GH3536鎳基合金高溫蠕變壽命起硬化作用。

(3)在對帶局部應力集中部位結構進行持久強度儲備和壽命分析時，必須考慮局部應力分布特性的影響。

[1]饒壽期.航空發動機的高溫蠕變分析[J].航空發動機，2004，30(1)：14—17.

[2]周柏卓，從佩紅，王維巖，等.考慮蠕變和應力松弛的發動機高溫構件壽命分析方法[J].航空動力學報，2003，18(3)：76—80.

[3]航空發動機設計用材料數據手冊編委會.航空發動機設計用材料數據手冊(第四冊)[K].北京：航空工業出版社，2010.

[4]ANSYS基本過程手冊[M].美國ANSYS公司，1998.

[5]黎方娟.帶孔結構高溫強度設計分析方法研究[R].成都：中國燃氣渦輪研究院，2011.

[6]范欽珊，殷雅俊.材料力學[M].北京：清華大學出版社，2004.

Creep Study on Notched Plate Specimens of GH536

LI Fang-juan，GU Yuan-xing
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

By adopting Norton model during FEM analysis,the creep response of plate specimens with vari?ous hole radius was simulated.Consequently,the stress and strain distribution and their histories were in?vestigated.The results show that radius of the hole holds strong influence on stress distribution.While radi?us of the hole is decreasing,the maximum equivalent stress is increasing,the creep relaxation is more obvi?ous,the stress distribution changes are more notable;local stress distribution and histories should be taken into account when the durability margin of safety and life of components with local stress concentration parts are assessed.

GH536；local stress concentration；plate specimen with a hole；creep response；liner；numerical simulation

V250.3；V231.95

：A

：1672-2620(2014)01-0023-05

2013-05-21；

：2013-09-06

黎方娟(1986-)，女，重慶人，工程師，碩士，主要從事發動機結構強度設計研究。