Расчетное и фрактографическое исследования устойчивого роста трещин малоцикловой усталости в диске турбины авиадвигателя при сложных циклах нагружения

Приведены результаты комплексного расчетно-экспериментального исследования кинетики трещин малоцикловой усталости (МЦУ) в диске турбины из гранулированного никелевого сплава ЭП741НП авиационного газотурбинного двигателя при сложных циклах нагружения (СЦН). С использованием световой микроскопии реконструирована конфигурация фронтов трещин. В процессе микрофрактографического анализа методами сканирующей электронной микроскопии измерены шаги блоков бороздок, характеризующие подрастание трещины за СЦН на стадии ее устойчивого роста, определен период устойчивого роста трещин и показана воспроизводимость его закономерностей. Проведено конечно-элементное моделирование реконструированных фронтов трещин. Для подциклов СЦН рассчитаны значения размаха коэффициентов интенсивности напряжений на каждом фронте трещины в области измерения шага блоков бороздок. С использованием разработанных ранее физически обоснованной математической модели и методики расчета проведено прогнозирование устойчивого роста трещины МЦУ, результаты которого хорошо согласуются с данными микрофрактографического анализа. Показано, что результаты расчета периода роста трещины МЦУ с применением уравнения Пэриса, параметры которого определены на основании испытаний образцов из материала диска при той же температуре, что и в области распространения трещин в диске, значительно расходятся с экспериментальными данными.

1. Демьянушко И. В., Биргер И. А. Расчет на прочность вращающихся дисков. — М.: Машиностроение, 1978. — 247 с.

2. Иноземцев А. А., Нихамкин М. А., Сандрацкий В. Л. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 4. Динамика и прочность авиационных двигателей и энергетических установок. — М.: Машиностроение, 2008. — 191 с.

3. Ножницкий Ю. А., Туманов Н. В., Черкасова С. А., Лаврентьева М. А. Фрактографические методы определения остаточного ресурса дисков авиационных газотурбинных двигателей / Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. 2011. Т. 16. № 4(44). С. 39 – 45.

4. Туманов Н. В., Черкасова С. А., Лаврентьева М. А., Воробьева Н. А. Исследование механизмов развития трещин малоцикловой усталости в дисках авиадвигателей в условиях эксплуатации и оценка остаточной долговечности дисков / Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2011. № 3(27). Ч. 2. С. 175 – 184.

5. Туманов Н. В., Лаврентьева М. А., Черкасова С. А. Реконструкция и прогнозирование развития усталостных трещин в дисках авиационных ГТД / Конверсия в машиностроении. 2005. № 4 – 5. С. 98 – 106.

6. Туманов Н. В., Лаврентьева М. А., Черкасова С. А., Серветник А. Н. Моделирование устойчивого роста усталостных трещин в дисках турбины авиадвигателей при простых и сложных циклах нагружения / Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2009. № 3(19). Ч. 1. С. 188 – 199.

7. Туманов Н. В., Лаврентьева М. А., Черкасова С. А. Прогнозирование остаточного ресурса дисков турбины авиадвигателей на основании расчета периода устойчивого роста трещин малоцикловой усталости / Вестник Московского авиационного института. 2011. Т. 18. № 5. С. 33 – 41.

8. Туманов Н. В. Устойчивый рост усталостных трещин: микромеханизм и математическое моделирование / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. № 11. С. 52 – 69. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-11-52-69

9. Туманов Н. В., Лаврентьева М. А. Прогнозирование циклической долговечности дисков авиадвигателей на основе моделирования устойчивого роста трещин малоцикловой усталости / Авиационные двигатели. 2019. № 1(2). С. 37 – 48.

10. Туманов Н. В. Физико-механические аспекты устойчивого роста усталостных трещин / Вестник Московского авиационного института. 2011. Т. 18. № 2. С. 132 – 136.

11. Paris P., Erdogan F. A critical analysis of crack propagation laws / Journal of Basic Engineering (Trans. ASME). 1963. N 12. P. 528 – 534.

12. Сиратори М., Миёси Т., Мацусита Х. Вычислительная механика разрушения. — М.: Мир, 1986. — 334 с.

13. Райс Д. Математические методы в механике разрушения / Разрушение. Т. 2. — М.: Мир, 1975. С. 204 – 335.

14. Голубовский Е. Р., Волков М. Е., Эммаусский Н. М. Метод определения границ стадии устойчивого роста трещины усталости и параметров уравнения Пэриса / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. Т. 85. № 9. С. 66 – 74. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-9-66-74

15. Туманов Н. В. Кинетическое уравнение устойчивого роста трещин малоцикловой усталости / Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2014. № 5(47). Ч. 1. С. 18 – 26.