GH536带孔平板试样蠕变分析

黎方娟，古远兴

(中国燃气涡轮研究院，四川成都610500)

GH536带孔平板试样蠕变分析

黎方娟，古远兴

(中国燃气涡轮研究院，四川成都610500)

采用有限元方法对GH536带孔平板试样的蠕变响应进行了数值模拟，以圆孔半径为尺寸参数，研究了不同圆孔半径试样的蠕变应力、蠕变应变分布及其随时间的变化。计算结果表明：圆孔半径对应力分布影响显著，圆孔半径越小，最大等效应力越大，最大等效应力随时间的松弛越明显，蠕变引起的应力重新分布越明显；对含局部应力集中部位结构进行持久强度储备和寿命分析时，必须考虑局部应力分布特性的影响。

GH536；局部应力集中；带孔平板试样；蠕变响应；火焰筒；数值模拟

1 引言

研制先进的航空发动机不仅要求性能先进，同时更加强调可靠性和耐久性。蠕变会导致航空发动机高温零部件的塑性变形过大或产生蠕变应力断裂，特别是涡轮前温度进一步提高，其矛盾更加突出。如高温环境下，温度只增加15℃，零件的蠕变寿命就会缩短一半[1]。在构件的孔边和圆角等应力集中部位，应力的松弛非常明显。在固定载荷作用下，开始时应力集中部位的应力很高，由于蠕变和应力松弛的作用，使得应力逐渐降低，最后趋于平稳；而其周围点的应力有所增加[2]。因此，对先进发动机进行热端部件寿命预测时，必须关注结构孔边的蠕变现象。

火焰筒掺混孔和气膜孔边的应力分析，是火焰筒蠕变屈曲分析和蠕变疲劳寿命预测的基础。对于火焰筒常用材料GH536，在最新版本的《航空发动机材料数据手册》[3]中，已能查阅到蠕变曲线，这为研究GH536材料的蠕变变形提供了支持。基于此，本文针对航空发动机火焰筒材料GH536结构的应力集中部位进行了蠕变数值模拟，研究了GH536材料结构不同应力集中形式下的蠕变响应，分析了蠕变应力、蠕变应变分布及其随时间的变化。

2 数值分析模型

带孔平板试样结构如图1所示，以标准平板蠕变试样结构为基础，在其对称中心开置圆形通孔，R为圆孔半径。试样的几何参数见表1，试样厚度均为3 mm。

蠕变试验中，试验件两端承受轴向拉伸载荷。根据结构及载荷的对称性，选取1/4模型作数值分析，其有限元模型如图2所示。分析坐标系为直角坐标系，坐标原点为试样中心点。以带厚度的平面应力单元模拟，厚度实常数给定为3。约束对称面Ⅰ和Ⅱ的法向位移，在右端面Ⅲ施加沿法向的均匀拉力，其合力使对称面Ⅰ的名义拉应力为147 MPa。对试样施加均匀温度650℃。对不同R，模型的约束条件和加载方式相同。

数值模拟时，首先关闭蠕变选项，计算应力应变结果；然后打开蠕变选项，计算相关的蠕变应力应变结果。

本文采用隐式蠕变方程[4]：

式中：εcr为蠕变应变；σ为等效应力；t为时间；T为温度；C1～C4为方程系数，其中C4=0。

利用文献[3]中的蠕变曲线，拟合了GH536材料在650℃的方程系数值C1～C3[5]，得到C1=1.086 1× 10-15，C2=4.877 40，C3=-0.134 52。参数拟合时，采用MATLAB进行最小二乘法正则方程拟合，对蠕变曲线提取的数据进行处理，并对拟合结果进行校核。结果表明，参数拟合结果可信度高，可以采用。

3 分析及讨论

3.1 局部蠕变等效应力分布

各带孔平板试样蠕变前后的等效应力最大值见表2。Kt为弹性应力集中系数，为缺口截面最大等效应力与截面名义应力(147 MPa)之比。Kt′为600 h蠕变后，截面最大等效应力与截面名义应力之比。

在相同喉部截面平均外载作用下，应力越集中(应力集中系数越大)，局部最大应力越大。弹性应力集中系数越大，蠕变引起的应力重新分布效应越明显，最大等效应力的下降幅度就越大。

试样3孔附近等效应力随时间的变化见图3，其它开孔试样的应力分布类似。从图中可看出，随着蠕变的发生，应力重新分布，圆孔N位置(图2)附近发生松弛，应力降低，等效应力的最大值也降低，最小应力位置从圆孔35°方向变为0°方向。蠕变在各部分的发展程度不同，受局部应力集中和蠕变松弛影响，孔边应力松弛，继而使孔边部分节点的蠕变应力减小，另一部分节点的蠕变应力增大。蠕变的发展减小了孔边应力的差异，削弱了应力集中效应。

3.2 蠕变等效应力-时间分析

图4给出了各试样圆孔上W、N位置(图2)的节点应力随时间的变化。稳定阶段内，各试样等效应力最大值相近。从图中可以看出，N处节点(应力集中点，也是等效应力最大值节点)应力受蠕变变形的影响，短时间内降低很快；应力重新分布以后，试样很快进入稳定阶段，此后应力基本趋于定值。

加载后W处的应力随时间变化表现出不同的特性。应力集中系数的差异对W处应力的影响较大：①试样1和试样2的应力先急剧下降，然后缓慢上升至稳定值，稳定后的应力比初期应力小；②试样

3也保持了初期应力下降到后期应力上升的过程，不同的是稳定后的应力比初期应力大；③试样4、试样5、试样6则表现为应力随时间上升的过程。

试样中圆孔的存在不仅会产生应力集中，也可将应力状态由单轴变为多轴。随着蠕变的进行，试样应力分布出现再分配和应力松弛现象，使截面应力梯度减小，对GH536合金蠕变寿命起到硬化作用。

3.3 蠕变应变分析

图5是N、W位置处节点等效蠕变应变随时间的变化曲线。可见，等效蠕变应变在N处的发展远大于W处。随着应力集中系数的减小，蠕变应变率减小，且蠕变应变率减小的幅度与应力集中系数减小的幅度成正比。

表3列出了关键点N、W在蠕变前后的蠕变应变，及初始时的局部最大等效应力。从表中可看出，随着等效应力集中系数的增大，局部初始等效应力增大，蠕变后的等效应变也相应增大。在关键点N、

W均可观察到上述特征，定性地看，蠕变损伤与应力集中系数成正比，应力集中系数越大，试样局部的蠕变应变越大。

4 火焰筒子结构模型蠕变分析

为进一步验证开孔对局部蠕变寿命的影响，本文对某火焰筒进行了子模型蠕变分析。首先对火焰筒的静强度进行有限元分析，拟通过此分析获取关键部位的载荷边界，为下一步的蠕变分析提供支持。

图6为火焰筒有限元模型及其温度场分布图。有限元模型采用8节点六面体单元划分，考虑了火焰筒内环和外环上的喷嘴孔、电嘴孔、主燃孔、掺混孔、瓦片安装螺栓孔及内外连接螺栓孔。计算模型选取整环的1/4进行计算，共计175 046个单元，261 970个节点。

数值分析坐标系为柱坐标系，轴向为发动机轴线，顺气流方向为正；径向为背离发动机轴线，内环指向外环为正；周向根据右手法则确定。约束前端靠近头部位置支承销的轴向和周向自由度，在对称剖面上施加循环对称约束(建立UX、UY、UZ方向的CP)，内外壁面施加压力(外压2.589 MPa，内压2.406 MPa)，施加三维温度场。

有限元分析结果表明，寿命关键部位位于火焰筒主燃孔边，此处也是等效应力最大处。取主燃孔附近区域进行子模型的蠕变分析，考察蠕变松弛与变形对火焰筒局部关键部位的影响。图7为子模型区域的有限元模型及边界条件。

图8给出了典型节点的蠕变应力、应变随时间变化的曲线。可看出，蠕变基本符合Norton规律和GH536蠕变特性，具有明显的第1阶段和第2阶段。蠕变变形量不大，说明GH536材料抗蠕变性能较好。蠕变应力与应变较大的区域都位于主燃孔边，这是由于这部分温度较高，孔边应力集中所致。

从等效蠕变应变来看，经过2 000 h后，蠕变应变达到约0.3%。

材料手册上可查到GH536材料的热强参数综合曲线，如图9所示。对热强参数P的表达式变换，可得。对典型节点进行寿命预测，其蠕变断裂寿命见表4。tf表示计算得到的蠕变断裂寿命。

从表4中可看出，对火焰筒采用t=0时刻的应力进行蠕变断裂寿命估计，预测寿命很低。随着蠕变应力松弛的发生，采用松弛一段时间后的应力进行蠕变断裂寿命估计，其预测寿命会大大提高。这也反映出利用局部应力作蠕变断裂寿命评估时，不可忽视应力松弛的影响。

5 结论

(1)圆孔半径对应力分布有显著影响，孔径越小，应力集中越强(应力集中系数越大)，在相同喉部截面平均外载作用下，局部最大应力越大。这与材料力学[6]的应力集中系数随尺寸的变化关系相符。

(2)带应力集中部位(孔边、圆角等)的高温构件，局部弹性应力集中系数越大，蠕变引起的应力重新分布效应越明显，最大等效应力随时间的下降幅度越大，即蠕变松弛越明显。圆孔、缺口等应力集中部位的存在，对GH3536镍基合金高温蠕变寿命起硬化作用。

(3)在对带局部应力集中部位结构进行持久强度储备和寿命分析时，必须考虑局部应力分布特性的影响。

[1]饶寿期.航空发动机的高温蠕变分析[J].航空发动机，2004，30(1)：14—17.

[2]周柏卓，从佩红，王维岩，等.考虑蠕变和应力松弛的发动机高温构件寿命分析方法[J].航空动力学报，2003，18(3)：76—80.

[3]航空发动机设计用材料数据手册编委会.航空发动机设计用材料数据手册(第四册)[K].北京：航空工业出版社，2010.

[4]ANSYS基本过程手册[M].美国ANSYS公司，1998.

[5]黎方娟.带孔结构高温强度设计分析方法研究[R].成都：中国燃气涡轮研究院，2011.

[6]范钦珊，殷雅俊.材料力学[M].北京：清华大学出版社，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，重庆人，工程师，硕士，主要从事发动机结构强度设计研究。