【摘 要】
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涡轮泵转子作为液体火箭发动机的核心构件,工作环境恶劣,对可靠性要求极高,启动过程是故障多发阶段,主要受到离心载荷与热载荷的共同作用,极容易出现低周疲劳问题,产生裂纹进
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涡轮泵转子作为液体火箭发动机的核心构件,工作环境恶劣,对可靠性要求极高,启动过程是故障多发阶段,主要受到离心载荷与热载荷的共同作用,极容易出现低周疲劳问题,产生裂纹进而扩展直至结构失效。因此有必要对其启动过程的疲劳问题进行研究。本文基于有限元法,仿真探究了温度对转子固有频率和模态的影响,对转子进行热固耦合仿真计算,研究对比了机械载荷单独作用、热载荷单独作用、热载荷与机械载荷共同作用时转子应力位移、温度变化,热载荷单独作用时对比分析了环境温度恒定与变化的计算结果,同时探究了完全热固耦合与顺序热固耦合的计算结果差异,明确了转子启动过程中的载荷,为后续预估低周疲劳寿命与裂纹扩展寿命奠定基础。阐述了常用的低周疲劳寿命预估方法,并且利用最常用的寿命预估模型(Manson-Coffin公式)进行了典型算例计算,对比了采用不同修正方法的计算结果;同时针对热载荷与机械载荷作用的涡轮泵转子,考虑转子启动过程未发生屈服,基于非对称循环计数法,考虑材料的缺口效应、高温持久强度,计算得到启动过程的等效应变幅,结合材料的应变寿命曲线,对不同启动时间下的转子进行了低周疲劳寿命预估。结合顺序热固耦合有限元计算结果得到转子危险部位,在危险部位预制一定尺寸裂纹,利用FRANC3D仿真计算了裂纹扩展过程的应力强度因子,研究了不同启动时间、不同预制裂纹深度下的裂纹扩展速率,并且基于Paris裂纹扩展寿命预估模型,得到了启动时间以及预制裂纹深度对转子裂纹扩展寿命的影响。
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