论文摘要：航空发动机机匣焊接结构耐久性与损伤容限研究

 

航空发动机机匣焊接结构的可靠性和疲劳寿命直接影响着飞行的安全性。发动机机匣故障调查表明，疲劳裂纹故障较为严重。疲劳裂纹一般最容易发生在焊接区，造成裂纹形成的原因是：焊接质量不佳、焊接结构不合理、焊缝腐蚀与杂质掺混等焊接结构在制造及运行过程中可能会产生的缺陷，因此焊接接头的抗断裂性能对结构安全是至关重要的。本文以航空发动机薄壁焊接机匣为研究对象，系统研究了航空发动机机匣焊接结构的局部力学行为、疲劳寿命、剩余强度，并进行耐久性与损伤容限评估，研究成果对于保证机匣结构在服役期间的安全运行，定期检测并进行安全评定具有极大的经济效益和工程意义。

首先研究了航空发动机焊接机匣在内压和轴向载荷下的力学特征，采用有限元法对航空发动机机匣在最大载荷条件下进行了弹塑性分析，研究其应力应变分布特点，并进行了静态加载试验，研究了航空发动机机匣关键部位在单独内压下、单独轴向载荷下和联合内压与轴向载荷下的应力应变分布，并与有限元计算结果进行对比，确定了航空发动机机匣焊接结构的疲劳危险部位。

深入研究了航空发动机机匣断裂行为及断裂控制参量，建立了实验室小试样试验结果与实际机匣结构断裂分析之间的联系。通过试验方法测定了机匣焊接接头裂纹张开位移CTOD 的临界值 ，并采用有限单元法对机匣焊接接头三点弯曲实验进行有限元模拟分析，将有限元模拟值与实验值进行结合对裂纹启裂时的断裂参量进行了标定，建立了断裂参量数值模拟测量标度方法，为机匣结构的断裂分析提供了理论支持。

采用D-M模型与COD设计曲线法计算了含纵向焊缝、环向焊缝受压薄壳结构在外载下的损伤容限；将航空发动机机匣典型焊接接头分解为平板对接接头和带安装座焊接接头，试验研究了这两种接头的损伤容限；采用有限元法进一步研究了航空发动机焊接机匣焊接接头含轴向穿透裂纹、周向穿透裂纹和安装座结构环形穿透裂纹时结构的损伤容限，结合平板对接接头和带安装座结构的损伤容限试验，对航空发动机焊接机匣进行了损伤容限评估。

采用局部应力应变法和疲劳寿命分析软件对航空发动机薄壁焊接机匣进行了疲劳裂纹萌生寿命分析，对高温合金GH4169焊接接头进行了疲劳裂纹扩展寿命试验，得到了焊接接头各区的疲劳裂纹扩展速率参数；对机匣典型焊接接头进行了疲劳裂纹扩展寿命试验，分析了从初始裂纹长度扩展到临界裂纹尺寸的结构寿命。进行了航空发动机焊接机匣疲劳试验，得到了结构的疲劳寿命和结构疲劳破坏的位置，结合疲劳寿命分析和结构的断裂机制，对航空发动机焊接机匣进行了耐久性评估。

根据航空发动机机匣焊接结构完整性的要求，研究了机匣结构剩余强度与预测分析方法。在平板对接和带接管模拟件剩余强度试验的基础上，结合含裂纹机匣焊接结构剩余强度数值模拟分析，建立了适合工程应用的发动机机匣焊接结构剩余强度计算模型，为我国新一代航空发动机定寿提供了工程应用基础。

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