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基于晶体塑性理论的镍基单晶构件力学性能的有限元分析

于庆民

  本文针对单晶材料的各向异性特点,采用有限元方法,对国产镍基单晶DD3切口圆棒试样、气冷叶片模拟试样的弹塑性和蠕变性能及模拟叶片的振动特性进行了分析,同时对现有的高温试验设备进行了改造,使其适于温度梯度试验。主要的工作总结如下:1.建立了镍基单晶切口试样的三维有限元模型,研究了不同尺寸的“U”型和“V”型切口试样的应力分布和滑移系开动特性,给出了八面体分切应力沿切口截面径向和周向的分布情况。切口尺寸对分切应力有显著影响:对于这两种类型切口,随着切口半径的减小,最大分切应力增加,并且切口半径越小,分切应力沿切口截面周向波动的幅度越大;相应的开动滑移系也不同。2.利用有限元方法模拟了国产镍基单晶合金DD3【001】取向切口圆棒试样的蠕变性能。结果表明:切口半径对应力分布有显著的影响,切口半径越大,蠕变应力越大;切口深度对蠕变性能的影响不大;切口半径对持久寿命的影响作用非常大,切口半径越小,持久寿命越大。3.针对单晶冷却涡轮叶片,对镍基单晶含孔洞平板模拟试样进行了弹塑性分析,详细分析了[001]和[111]两种晶体取向下孔洞附近弹塑性应力分布及八面体滑移系族12个滑移系在拉伸变形时的启动情况。结果表明,晶体取向对应力场的分布及启动滑移系有显著的影响。沿不同取向加载时,孔洞周围的应力水平不同,应力场演化的过程也不同,同时滑移系的启动状态也不同。4.采用含孔平板试样模拟冷却单晶叶片,分析了冷却镍基单晶叶片在950℃时的蠕变持久性能。[001】、[111】两种晶体取向的有限元分析结果表明,气膜孔对试样的承载能力有较大的影响,对持久性能的影响更为显著,含气膜孔模型的持久寿命比不含孔的模型的持久寿命大大降低,小孔的数量越多,持久寿命降低的越大;气膜孔对[111]取向的持久性能的影响比【001】取向显著。5.利用通用有限元程序Marc分析了单晶叶片的振动特性,考虑了取向、温度和转速的影响。计算结果表明,【111】取向的固有频率大于[001】取向,取向对万声J黄诀掌硕士学位论文 高阶固有频率的影响比低阶大;温度升高,固有频率下降;随着转速增加, 固有频率也在增加。转速对[001】取向固有频率的影响要比〔1川取向大。在工 作状态下,转速对低阶频率影响大,高阶则比较小。6.对现有的高温试验设备进行了改造,采用薄壁圆管试样,外壁温度由电炉控 制,内壁通冷却高压空气,产生温度梯度。此设备可用于温度梯度试验。关键词:镍基单晶合金;晶体塑性理论;有限元;切口圆棒试样;单晶涡轮叶片;气冷叶片:弹塑性;蠕变;振动;温度梯度……   
[关键词]:镍基单晶合金;晶体塑性理论;有限元;切口圆棒试样;单晶涡轮叶片;气冷叶片;弹塑性;蠕变;振动;温度梯度
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:西北工业大学2005年