Термонапряженное состояние клиновидных образцов при наличии трещин термической усталости
Представлены результаты расчетов термонапряженного состояния на кромке клиновидного образца при развитии трещин термической усталости при термоусталостных испытаниях. Наведено результати розрахунків термонапруженого стану на кромці клиновидного зразка при розвитку тріщин термічної втоми при термов...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Проблемы прочности |
|---|---|
| Datum: | 2000 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2000
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46201 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Термонапряженное состояние клиновидных образцов при наличии трещин термической усталости / Е.А. Задворный // Проблемы прочности. — 2000. — № 2. — С. 62-66. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-46201 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Задворный, Е.А. 2013-06-28T15:58:40Z 2013-06-28T15:58:40Z 2000 Термонапряженное состояние клиновидных образцов при наличии трещин термической усталости / Е.А. Задворный // Проблемы прочности. — 2000. — № 2. — С. 62-66. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46201 620.178.3:539.434 Представлены результаты расчетов термонапряженного состояния на кромке клиновидного образца при развитии трещин термической усталости при термоусталостных испытаниях. Наведено результати розрахунків термонапруженого стану на кромці клиновидного зразка при розвитку тріщин термічної втоми при термовтомних випробуваннях. We present the results of the calculation of the thermal stressed state of the edge of a wedgeshaped specimen in the case of the thermalfatigue cracks propagation in thermal fatigue tests. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Термонапряженное состояние клиновидных образцов при наличии трещин термической усталости Thermal Stressed State of Wedge-Shaped Specimens with Thermal- Fatigue Cracks Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Термонапряженное состояние клиновидных образцов при наличии трещин термической усталости |
| spellingShingle |
Термонапряженное состояние клиновидных образцов при наличии трещин термической усталости Задворный, Е.А. Научно-технический раздел |
| title_short |
Термонапряженное состояние клиновидных образцов при наличии трещин термической усталости |
| title_full |
Термонапряженное состояние клиновидных образцов при наличии трещин термической усталости |
| title_fullStr |
Термонапряженное состояние клиновидных образцов при наличии трещин термической усталости |
| title_full_unstemmed |
Термонапряженное состояние клиновидных образцов при наличии трещин термической усталости |
| title_sort |
термонапряженное состояние клиновидных образцов при наличии трещин термической усталости |
| author |
Задворный, Е.А. |
| author_facet |
Задворный, Е.А. |
| topic |
Научно-технический раздел |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| publishDate |
2000 |
| language |
Russian |
| container_title |
Проблемы прочности |
| publisher |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Thermal Stressed State of Wedge-Shaped Specimens with Thermal- Fatigue Cracks |
| description |
Представлены результаты расчетов термонапряженного состояния на кромке клиновидного
образца при развитии трещин термической усталости при термоусталостных
испытаниях.
Наведено результати розрахунків термонапруженого стану на кромці клиновидного зразка при розвитку тріщин термічної втоми при термовтомних випробуваннях.
We present the results of the calculation of the thermal stressed state of the edge of a wedgeshaped specimen in the case of the thermalfatigue cracks propagation in thermal fatigue tests.
|
| issn |
0556-171X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46201 |
| citation_txt |
Термонапряженное состояние клиновидных образцов при наличии трещин термической усталости / Е.А. Задворный // Проблемы прочности. — 2000. — № 2. — С. 62-66. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT zadvornyiea termonaprâžennoesostoânieklinovidnyhobrazcovprinaličiitreŝintermičeskoiustalosti AT zadvornyiea thermalstressedstateofwedgeshapedspecimenswiththermalfatiguecracks |
| first_indexed |
2025-11-27T01:07:37Z |
| last_indexed |
2025-11-27T01:07:37Z |
| _version_ |
1850790220794953728 |
| fulltext |
УДК 620.178.3:539.434
Т е р м о н а п р я ж е н н о е с о с т о я н и е к л и н о в и д н ы х о б р а з ц о в п р и
н а л и ч и и т р е щ и н т е р м и ч е с к о й у с т а л о с т и
Е. А. Задворный
Институт проблем прочности НАН Украины, Киев, Украина
Представлены результаты расчетов термонапряженного состояния на кромке клино
видного образца при развитии трещин термической усталости при термоусталостных
испытаниях.
Вопросы определения и прогнозирования прочности и долговечности
элементов энергетического оборудования, в частности лопаток и дисков
газовых турбин [1-4], остаются актуальными и в настоящее время. Однако
следует заметить, что основной круг рассматриваемых задач за последнее
десятилетие сместился в область определения долговечности элементов
конструкций при наличии дефектов типа трещин, что обусловлено актив
ным развитием аналитического аппарата механики разрушения примени
тельно к прикладным задачам прочности. Как показывает анализ дефектов,
возникающих в лопатках газотурбинных двигателей (ГТД) в процессе экс
плуатации [2, 5], разрушение происходит вследствие развития трещин
термической усталости при циклическом воздействии нагрузок и темпе
ратур. В частности, лопатки направляющего аппарата турбины ГТД, для
которых термоусталостные повреждения являются основными, могут экс
плуатироваться при наличии трещин определенных размеров, поскольку
они характеризуют определенную стадию повреждения материала, но не
являются однозначным критерием потери несущей способности конструк
ции. Однако для рабочих лопаток, подвергающихся комплексному воздей
ствию широкого спектра термических, статических и вибрационных напря
жений, трещины представляют значительную опасность как концентраторы
напряжений.
Приведенные результаты численного определения термонапряженного
состояния клиновидных образцов при наличии трещин термической уста
лости основаны на данных экспериментальных исследований долговеч
ности лопаток и клиновидных моделей, полученных при изучении кинетики
развития трещин термической усталости на газодинамическом стенде [5, 6]
в высокотемпературных газовых потоках по режимам, соответствующим
или близким к реальным условиям работы лопаток ГТД. При проведении
испытаний и последующем расчете моделировался режим запуска-оста
нова двигателя по заданным законам изменения температур потока в полу-
циклах нагрева и охлаждения [1, 2]. Под клиновидной моделью [6, 7]
подразумеваем призму высотой И = 80 мм с поперечным сечением в виде
клина с углом закругления кромки г, углом раствора р и хордой Ь. При
этом тип образца обозначается размерами сечения. Например, модель
15.07.20 имеет размеры: р = 150, г = 0,7 мм, Ь = 20 мм.
© Е. А. ЗАДВОРНЫЙ, 2000
62 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 2
Термонапряж енное состояние клиновидных образцов
Изучение характера возникновения и развития трещин термической
усталости на лопатках и клиновидных образцах показало, что начало разру
шения наиболее напряженных кромок проявляется в виде сетки мелких
трещин глубиной порядка 0,5-1,0 мм, располагающихся перпендикулярно к
кромке, фактически по всей длине пера. Дальнейшее циклирование при
водит к торможению большинства из них и быстрому увеличению размеров
нескольких (как правило, одной-трех) магистральных трещин, расположен
ных ближе к среднему, наиболее напряженному сечению лопатки [8]. Учи
тывая это, были проведены расчеты по определению влияния одной и двух
магистральных трещин на напряженное состояние кромки клиновидного
образца.
Термонапряженно-деформированное состояние (ТНДС) клиновидной
модели рассчитывалось по методу конечных элементов с использованием
пакета программ «SPACE» [9] для клиновидных моделей, изготовленных из
материала ЭИ826 (рис. 1), при граничных условиях третьего рода (рис. 2) в
трехмерной постановке с учетом зависимости свойств материала от темпе
ратуры в цикле 10^60 с при Tmax = 1255oC и Tmin = 190оС. Граничные
условия третьего рода определялись пересчетом из граничных условий
первого рода, определяемых в результате термометрирования в ходе испы
таний, при решении прямой и обратной задач теплопроводности. На рис. 2
показаны кривые изменения коэффициента теплообмена по поверхности
образца для переходных (1 - нагрев, 2 - охлаждение) и стационарного (3)
режимов. С целью определения влияния возникающих трещин на напря
женное состояние кромки образца расчет проводился для бездефектного
образца, образца с одной трещиной в срединной плоскости, двумя трещи
нами, одна из которых развивалась в срединной плоскости, а вторая - на
высоте 20 и 12 мм в разных моделях. Длина трещин выбиралась
равной 5 мм. В процессе термоциклирования трещина открывается лишь в
полуцикле охлаждения, когда на кромке модели действуют растягивающие
напряжения. Трещина представляет собой математический разрез с сингу
лярной точкой в вершине.
А,Вт/(м -К) Ср -1 О'6, Дж/(м3 К) £ -10'5, МПа a-10s, К '1
Рис. 1. Зависимость физических X (1), Ср (2) - а и механических Е (3), а (4) - б
характеристик сплава ЭИ826 от температуры.
Результаты расчета клиновидной модели 15.07.20 приведены на
рис. 3-5. Как видно, для выбранной в работе высоты модели сечения от
срединной плоскости до высоты 20 мм находятся в условиях плоского
ISSN 0556-171X. Проблемыг прочности, 2000, № 2 63
Е. А. Задворный
деформированного состояния материала. При возникновении трещин на
кромке клина происходит перераспределение напряжений по высоте кром
ки, что сказывается на скорости роста трещин. Так, разделение кромки
магистральными трещинами на участки сравнительно малой высоты при
водит к переходу материала из состояния плоской деформации к плоскому
напряженному состоянию с соответствующим уменьшением нормальной
компоненты термических напряжений. Возникновение двух магистральных
трещин, одна из которых находится в срединном сечении, а вторая - на
высоте 12 мм от него, приводит к снижению нормальных напряжений на
кромке образца с 154 до 86 МПа (рис. 3, 4). При таких уровнях термических
напряжений вероятность появления новых трещин термической усталости
на кромке образца существенно уменьшается. Возникновение новых трещин
возможно на значительно больших базах испытаний. При этом продолжают
развиваться одна-три магистральных трещины, что подтверждается резуль
татами экспериментов. Анализируя термический цикл в целом, следует
заметить смещение асимметрии цикла в область сжимающих напряжений
(рис. 3). На рис. 5 для сравнения приведено изменение коэффициента
интенсивности напряжений (КИН) К в зависимости от длины трещины а
для трех типоразмеров клина, отличающихся длиной хорды I. Видно, что с
увеличением длины хорды происходит рост КИН с одновременным смеще
нием максимальных значений в область более массивной части образца.
Рис. 2. Изменение коэффициентов теплообмена на поверхности клиновидного образца для
различных моментов времени: 1 - t =1...2 с; 2 t = 12...14 с; 3 - остальные секунды цикла.
Рис. 3. Изменение температуры потока (1), температуры (2) и напряжений на кромке
клиновидной модели в цикле для бездефектного образца (3), а также для образцов с
центральной трещиной (4) и с двумя трещинами (центральной и на высоте 20 мм) в области
кромки (5).
64 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 2
Термонапряж енное состояние клиновидных образцов
Рис. 4. Изменение температуры (1) и напряжений а г на кромке клиновидной модели на
16-й с цикла на бездефектном образце (2), в случае центральной трещины (3), а также в
случае двух трещин, расположенных на высоте 20 (4) и 12 (5) мм.
0 2 4 6 а , ММ
Рис. 5. Изменение КИН К в зависимости от длины трещины а в клиновидных образцах: 1, 2,
3 - соответственно модель 15.07.20; 15.07.25 и 15.07.32.
Приведенные результаты свидетельствуют о необходимости учета изме
нения ТНДС при изучении кинетики трещин на моделях или лопатках и, в
частности, при оценке живучести сопловых лопаток в реальных эксплу
атационных условиях.
Р е з ю м е
Наведено результати розрахунків термонапруженого стану на кромці клино
видного зразка при розвитку тріщин термічної втоми при термовтомних
випробуваннях.
1. Трет ьяченко Г. H ., К равчук Л. В., К уриат Р. И. и др. Несущая спо
собность лопаток газовых турбин при нестационарном тепловом и
силовом воздействии. - Киев: Наук. думка, 1975. - 296 с.
2. Г ецов Л. Б. Материалы и прочность деталей газовых турбин. - М.:
Недра, 1996. - 592 с.
3. Coney M . H . Thermal fatigue cycling in turbine blades // High Temp.
Techn. - 1990. - 8, N 2. - P. 115 - 120.
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2000, № 2 65
4. Tao C. H., X i N. S., X ie M . L., e t al. Analysis of turbine blade breakages in
an engine starting motor // Eng. Failure Anal. - 1999. - N 6. - P. 245 - 251.
5. Трет ьяченко Г. H ., К равчук Л. В., К уриат Р. И. и др. Термическая
усталость материалов при неоднородном тепловом и термонапря
женном состояниях. - Киев: Наук. думка, 1985. - 280 с.
6. Г О С Т Украины. Метод испытаний на высокотемпературную коррозию
и термоусталость в потоке продуктов горения топлива. ДСТУ 23.6794,
25.02.94. - 27 с.
7. К равчук Л. В . Перспективы использования клиновидной модели для
исследования термоциклической долговечности турбинных лопаток //
Пробл. прочности. - 1978. - № 8. - C. 82 - 87.
8. K ravchuk L. V., Z advorny E. A . Investigation of thermal fatigue crack
propagation kinetics in heat-resistant materials under conditions of unsteady
heat exchange using the methods of experimental and numerical simulation
// Thermal Stresses ’99, June 13-17, 1999. - Cracow, Poland. - P. 237 -
240.
9. К обельский С. В., К уриат Р. И ., К равченко В. И ., К вит ка А. Л .
Исследование термонапряженного состояния клиновидных моделей
лопаток турбин с теплозащитными покрытиями при термоцикличес
ком нагружении // Пробл. прочности. - 1999. - № 6. - C. 62 - 70.
Поступила 26. 11. 99
Е. А. Задворный
66 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2000, № 2
|