论文摘要：基于热-流-固耦合的火焰筒热疲劳分析及寿命预测

    伴随着航空发动机性能要求的提高，发动机零部件工作环境更加恶劣，结构也趋于复杂，为了保障发动机的安全性和可靠性，需要对包括火焰筒在内的发动机部件进行安全评估。作为发动机承载温度最高的部件，火焰筒长期处于高温环境下，加之其结构复杂，会在某型部位产生较大热应力。随着发动机工况的变化，火焰筒承受着循环温度载荷产生的循环热应力，极易因热疲劳产生裂纹，导致发动机发生故障。因此，为了提高发动机性能，有必要对火焰筒热疲劳问题和寿命预测开展研究。

    本文以某型火焰筒为研究对象，以火焰筒常用材料镍基高温合金GH536为材料，以分析火焰筒危险部位寿命和热疲劳行为为目的，用数值分析和试验相结合的方法，从火焰筒温度场、应力/应变分布、寿命预测和热疲劳行为四个方面进行了分析和研究。

    首先，根据提供的火焰筒结构图，充分考虑实际工作情况，适当简化建立了火焰筒三维模型并划分了六面体网格，在此基础上，利用有限元软件ANSYS-CFX对火焰筒壁面进行了传热分析，得到了火焰筒瞬态温度场，结果显示火焰筒气膜唇边温度最高。

    然后，基于计算得到的瞬态温度场，利用经典弹塑性本构理论对火焰筒进行了热应力分析，并对比分析了火焰筒不同区域的热应力特征，确定了火焰筒主要危险部位为气膜唇边、掺混孔边和搭接处。

    接着，利用计及平均应力的Morrow修正和SWT（Smith，Waston，Topper）修正的Manson-Coffin公式对火焰筒危险部位进行了寿命预测，结果表明火焰筒内环第三道气膜唇边寿命最短，这也为工程实际提供了一种参考。

    最后，为了更好地确定试验参数，利用有限元软件ABAQUS分别研究了最高温度保温时间、缺口位置和缺口尺寸对试样热疲劳性能的影响及规律；之后，开展了GH536材料的热疲劳行为研究，主要考虑的试验参数有上限温度、最高温度不同保温时间、不同缺口尺寸和带缺口试样不同保温时间。试验结果表明：上限温度越高，材料热疲劳性能越差，裂纹扩展速率越大，裂纹越长；保温时间越长，材料热疲劳性能越好，裂纹扩展速率越小，裂纹越短；与无保温试验结果比较，保温20s降低了热疲劳性能，而保温40s对热疲劳性能影响较小，保温60s对热疲劳性能有明显提高的作用。随着缺口直径增大，材料热疲劳性能提高，裂纹扩展更缓慢，裂纹长度更短。针对带缺口试样，随着保温时间增长，材料热疲劳性能更好，裂纹扩展更缓慢。

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