НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: SE-BMSTU...o296.pdf (2556.38Кб)

УДК 621.438-226.2:669-172

Россия,  Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова

В настоящее время ввиду отсутствия общепринятых подходов к учёту анизотропии характеристик монокристаллических сплавов при расчётах прочности лопаток турбин используются допущения о возможности рассмотрения материала как изотропного или применения модели Хилла, что может приводить к существенным ошибкам. Описываемые в технической литературе модели на основе кристаллографического подхода сложны в реализации и требуют большого объема экспериментальных данных, в том числе, неопределяемых при стандартных испытаниях.  Дополнительными проблемами, с которыми сталкиваются специалисты по прочности, являются невозможность описания всего разнообразия кривых ползучести одним уравнением и ограниченный набор экспериментальных данных.
В статье описывается способ учёта анизотропии характеристик сопротивления ползучести  и длительной статической прочности при проведении прочностных расчётов монокристаллических лопаток турбин. Данный способ базируется на определении и использовании эквивалентного направления напряженного состояния и был программно реализован в виде подпрограммы для ANSYS.
C помощью предложенного способа можно обобщить характеристики, определенные при одноосном растяжении образцов различных кристаллографических ориентаций, на сложное напряженное состояние применительно к монокристаллическим сплавам.
Одними из основных преимуществ разработанной модели ползучести, помимо возможности учёта анизотропии характеристик, являются возможность использования ограниченного объема  экспериментальных данных и относительная простота их обработки. Модель может быть адаптирована к новым данным при определении характеристик на образцах с нестандартными кристаллографическими ориентациями и редуцирована для расчёта поликристаллических лопаток. 
Проведенные сравнительные расчёты с использованием разработанной модели ползучести с учётом и без учёта анизотропии характеристик сопротивления ползучести и длительной статической прочности показали существенное влияние анизотропии свойств материала лопаток на ее прочностные характеристики, в особенности для лопатки с более развитой системой охлаждения. 

1. Васильев Б.Е. Разработка модели пластичности для монокристаллических материалов для проведения прочностных расчётов лопаток турбин перспективных двигателей // Технология легких сплавов. 2013. № 3. С. 90-100.
2. Ramaglia A.D., Villari P. Creep and Fatigue of Single Crystal and Directionally Solidified Nickel-Base Blades via a Unified Approach Based on Hill48 Potential Function: Part 1 — Plasticity and Creep // ASME Turbo Expo 2013: Turbine Technical Conference and Exposition. Vol. 7A: Structures and Dynamics. 2013. Paper no. GT2013-94675. Art. no. V07AT27A004. DOI: 10.1115/GT2013-94675
3. Méric L., Cailletaud G. Single Crystal Modeling for Structural Calculations: Part 2—Finite Element Implementation // Journal of Engineering Materials and Technology. 1991. Vol. 113, no. 1. P. 171-182. DOI: 10.1115/1.2903375
4. Каблов   Е.Н. Жаропрочность никелевых сплавов. М : Машиностроение , 1998. 464 с .
5. Naumenko K. Modeling of High-Temperature Creep for Structural Analysis Applications: Ph.D thesis. Martin-Luther-Universitat Halle-Wittenberg, 2006. 206 p.
6. Локощенко А.М. Кинетический подход исследования длительной прочности металлов при двухосном растяжении // Авиационно-космическая техника и технология. 2005. № 10. С . 128-135.
7. Manu C.C. Finite element analysis of stress rupture in pressure vessels exposed to accidental fire loading: Ph.D thesis. Queen’s University, 2008. 211 p.
8. Васильев Б.Е., Магеррамова Л.А. Формирование уравнений ползучести сплавов для расчетов кинетики напряженно-деформированного состояния высокотемпературных лопаток турбин // Вестник Московского Авиационного Института. 2012. Т. 19, № 4. C. 100 -10 8 .
9. Васильев Б.Е. Определение расчетной долговечности деталей турбин с помощью пользовательской модели ползучести в конечно-элементном комплексе ANSYS // Инженерный журнал: наука и инновации. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 10. Режим доступа: http://engjournal.ru/catalog/machin/energy/402.html (дата обращения 25.02.2015).
10. Васильев Б.Е. Модель ползучести лопаток турбин из монокристаллического суперсплава на никелевой основе: свидетельство о государственной регистрации программы ЭВМ № 2014611870. 12.02.2014.
11. Allan C.D. Plasticity of nickel base single crystal superalloys: PHD thesis. Massachusetts Institute of Technology, 1995 . 206 p.
12. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Термопрочность деталей машин. М.: Машиностроение, 1975. 455 с.