Методика оценки ресурса ответственных деталей перспективного авиационного двигателя при нестационарном циклическом нагружении с учетом поверхностных остаточных напряжений, основанная на эволюционной модели малоцикловой усталости

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 24-29-20148

НазваниеМетодика оценки ресурса ответственных деталей перспективного авиационного двигателя при нестационарном циклическом нагружении с учетом поверхностных остаточных напряжений, основанная на эволюционной модели малоцикловой усталости

Руководитель Келлер Илья Эрнстович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук , Пермский край

Конкурс №90 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций

Ключевые слова малоцикловая усталость, эволюционная модель, нестационарное циклическое нагружение, полетные циклы, циклы с перегрузками и выдержками, авиадвигатель, ответственные детали, поверхностные остаточные напряжения, методика расчета

Код ГРНТИ30.19.51

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Для оценки усталостного ресурса ответственных деталей перспективного авиационного двигателя повышенной тяги (диски компрессора высокого давления) при нестационарном циклическом нагружении, возникающем в полетных циклах, разрабатывается эволюционная модель малоцикловой усталости, не использующая гипотезу суммирования микроповреждений. Данная модель позволяет учесть вид напряженного состояния, непропорциональность циклического нагружения, выдержки и перегрузки, - особенности нагружения, способные существенно (до двух-трех порядков) уменьшить ресурс по малоцикловой усталости некоторых сплавов, применяемых в авиационном двигателе. В настоящее время в конструкторских организациях авиадвигателестроения повсеместно приняты методики расчета на основе схематизации полетного цикла методами, в основе которых лежит гипотеза о суммируемости параметра поврежденности и которые не могут учитывать падение ресурса при нестационарных циклических воздействиях. Модель формулируется в несвязанной с упругопластической задачей постановке и используется после ее решения как постпроцессор в упругом диапазоне изменения напряжений. Предлагается методика идентификации констант модели по базовым экспериментам, в том числе программы критических базовых экспериментов, позволяющие судить о наличии либо отсутствии эффекта снижения усталостного ресурса у исследуемого сплава. Будет найдена предпочтительная формулировка модели, способная описывать эффекты снижения усталостного ресурса в зависимости от характеристик нагружения в достаточно широком диапазоне значений. Подобная гибкость модели позволит единообразно использовать ее для целого ряда сплавов и встраивать в методики численного расчета усталостного ресурса ответственных деталей машин. Разрабатывается методика оценки усталостного ресурса ответственных деталей авиационного двигателя (на примере дисков компрессора высокого давления) с использованием последовательно решаемых а) задачи численного расчета напряженно-деформированного состояния детали в термоупругопластической постановке и определения опасных областей, б) расчета усталостного ресурса детали в опасных точках на полетных циклах с помощью эволюционной модели. В задаче (а) численного расчета напряженно-деформированного состояния детали будут учтены технологические остаточные напряжения, наведенные поверхностными методами обработки пластическими деформациями для сопротивления росту усталостных трещин, а также их релаксация вследствие высокотемпературной ползучести. Предлагаются программы требуемых испытаний для получения данных по усталостному ресурсу образцов с поверхностным слоем остаточных напряжений. Данные теоретические результаты должны учитываться при разработке методик расчета усталостного ресурса деталей машин с поверхностным слоем остаточных напряжений по данным усталостных испытаний образцов с аналогичным слоем, которых на данный момент не существует. Работа имеет теоретический характер; необходимые экспериментальные данные по усталости специальных сплавов будут взяты из опубликованных источников; отмасштабированные данные по усталости, геометрическая модель изделия и диаграмма ее нагружения будет предоставлены АО "ОДК-Авиадвигатель". Результаты востребованы отделом прочности силовых схем АО "ОДК-Авиадвигатель" (г. Пермь), а также могут представлять интерес для проектирования новой техники: самолетов, вертолетов, экскаваторов, ветроэлектрогенераторов и других машин, детали которых испытывают нестационарные циклические воздействия. Результаты будут представлены на всероссийских конференциях по механике деформируемого твердого тела, прочности и ресурсу и опубликованы в рецензируемых и реферируемых международными базами цитирования научных журналах, специализирующихся на публикации новых моделей прочности и ресурса материалов (Известия Российской академии наук. Механика твердого тела, Известия высших учебных заведений. Машиностроение, Ученые записки ЦАГИ).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В результате выполненного этапа исследования получены новые результаты, относящиеся к методике расчета усталостного ресурса ответственных деталей авиационного двигателя с учетом а) поверхностных технологических остаточных напряжений, б) неоднородности распределения собственных деформаций, порождающих эти напряжения, в) нестационарности нагружения в полетном цикле, г) временных эффектов в полетном цикле. Методика опирается на а) предложенную авторами эволюционную модель накопления усталостных повреждений, описывающую фазу зарождения усталостной трещины, которая была модернизирована в рамках настоящего исследования для учета временных эффектов, б) метод определения поверхностных собственных деформаций и внедрения их с помощью многослойных оболочечных элементов в конечноэлементную модель для расчета технологических остаточных напряжений. Профиль собственных деформаций предложено определять по первичным лабораторным данным, полученным методом Н.Н. Давиденкова-И.А.Биргера, либо по распределениям остаточных напряжений, полученных любым методом, с использованием выведенных авторами явных точных реконструктивных формул для всех этих случаев. Методика была продемонстрирована на задачах определения ресурса ответственных деталей авиационного двигателя: а) диска турбины высокого давления, б) проушины кронштейна крепления мотогондолы, на поверхностях которых, содержащих опасные точки, были наведены сжимающие тангенциальные остаточные напряжения. Предложено два способа учета механизма зарождения усталостной трещины под поверхностным слоем сжимающих тангенциальных остаточных напряжений — а) использование данных испытаний (диаграмм Вёлера) образцов с поверхностным слоем сжимающих тангенциальных остаточных напряжений и б) использование точек испытаний неупрочненных образцов на диаграммах Вёлера, в которых усталостные трещины зародились изнутри, и численно реализован второй из них для выше названных конструкций. Исследована зависимость усталостного ресурса от нерегулярности нагружения, для чего использовано в общей сложности пять видов схематизаций полетного цикла. Получены выводы, что и нерегулярность (то есть учет более сложных гармоник полетного цикла по сравнению с его схематизацией синусоидальным или треугольным циклом с равными периодом, минимальным и максимальным значениями напряжений), а также наличие поверхностных остаточных напряжений и неоднородности распределения собственных деформаций в поверхностном слое, существенно изменяет теоретические прогнозы усталостной долговечности. Во всех рассмотренных ситуациях упрощение (огрубление) полетного цикла либо распределения собственных деформаций вблизи поверхности приводило к менее консервативным (то есть менее достоверным или более заниженным) значениям оценки усталостного ресурса. Сформулировано обобщение эволюционной модели накопления усталостных повреждений для учета временных эффектов, к которым относят эффекты уменьшения усталостного ресурса при увеличении выдержки при максимальных напряжениях в полетном цикле либо уменьшении частоты циклических воздействий вследствие различных механизмов (ползучесть, фазовые переходы). Игнорирование учета временных эффектов в общем также ведет к менее консервативным значениям оценки усталостного ресурса. Сформулировано обобщение склерономной эволюционной модели накопления усталостной поврежденности, которое позволяет гибко описывать зависимость от выдержки (периода) цикла нагружения.

Публикации

1. Петухов Д.С., Келлер И.Э., Дудин Д.С., Казанцев А.В. On the Method of Calculating the Fatigue Life of Parts Under the Non-Regular Loading in the Presence of Surface Residual Stresses International Scientific Conference “Advanced Mechanics: Structure, Materials, Tribology”, Samarkand, 23-26 September 2024. Book of Abstracts. Sa-markand State University, 2024. 50 p. , Petukhov D.S., Keller I.E., Dudin D.S., Ka-zantsev A.V. On the Method of Calculating the Fatigue Life of Parts Under the Non-Regular Loading in the Presence of Surface Residual Stresses / International Scientific Conference “Advanced Mechanics: Structure, Materials, Tribology”, Samarkand, 23-26 September 2024. Book of Abstracts. Sa-markand State University, 2024. 50 p. P.30. (год публикации - 2024)

2. Петухов Д.С., Дудин Д.С., Келлер И.Э. К методике оценки ресурса по малоцикловой усталости при нерегулярном нагружении деталей с поверхностными остаточными напряжениями Известия высших учебных заведений. Машиностроение, Петухов Д.С., Дудин Д.С., Келлер И.Э. Методика оценки ресурса по малоцикловой усталости при нерегулярном нагружении деталей с поверхностными остаточными напряжениями. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2025, № 1 (778), с. 3–20. EDN: FIGBGA (год публикации - 2025)
https://elibrary/figbga

3. Петухов Д.С., Дудин Д.С., Келлер И.Э. Методика оценки ресурса по малоцикловой усталости при нерегулярном нагружении деталей с поверхностными остаточными напряжениями Материалы XXX Международного симпозиума «Динамические и технологи- ческие проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова. Т.1. – М.: ООО "ТРП", 2024 –230 с., Петухов Д.С., Дудин Д.С., Келлер И.Э. Методика оценки ресурса по малоцикло-вой усталости при нерегулярном нагру-жении деталей с поверхностными оста-точными напряжениями / В книге: Дина-мические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред. Материалы XXX Международного симпозиума им. А.Г. Горшкова. Москва, 2024. С. 181-182. (год публикации - 2024)

4. Дудин Д.С., Келлер И.Э., Петухов Д.С. Методика оценки усталостного ресурса детали с остаточными напряжениями при нерегулярном нагружении Материалы XII Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи» (17–19 сентября 2024 г., Самара, Россия): в 2-х томах. Т. 1 / под ред. В. П. Радченко. — Самара: СамГТУ, 2024 — 202 с., Дудин Д.С., Келлер И.Э., Петухов Д.С. Методика оценки усталостного ресурса детали с остаточными напряжениями при нерегулярном нагружении / В сборнике: Математическое моделиро-вание и краевые задачи. материалы XII Всероссийской научной конференции с международным участием: в 2 т.. Самара, 2024. Т.1. С. 115-117. (год публикации - 2024)

5. Петухов Д.С., Келлер И.Э. Simulating the frequency and dwell effects on fatigue life using an evolutionary damage model Mechanics of Solids (год публикации - 2025)

6. Петухов Д.С., Келлер И.Э. ОЦЕНКА УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ ДЕТАЛИ ПРИ НАЛИЧИИ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ: УЧЁТ ВЫДЕРЖЕК И ЧАСТОТЫ ПРИ НЕРЕГУЛЯРНОМ НАГРУЖЕНИИ XХIV Зимняя школа по механике сплошных сред Пермь, 24 – 28 февраля 2025 г. Тезисы докладов. Пермь: ПФИЦ УрО РАН, Петухов Д.С., Келлер И.Э. Оценка усталостной прочности детали при наличии остаточных напряжений: учёт выдержек и частоты при нерегулярном нагружении // XХIV Зимняя школа по механике сплошных сред Пермь, 24 – 28 февраля 2025 г. Тезисы докладов. – Пермь: ПФИЦ УрО РАН, 2025г. – 339 с. С. 222. (год публикации - 2025)

7. Келлер И.Э. Обзор моделей, описывающих временные эффекты в процессах циклической пластичности и усталости Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред. Материалы XXXI Международного симпозиума им. А.Г. Горшкова. Кремёнки, 19 - 23 мая 2025. Т.1. М.: ООО "ТРП", 2025. 206 с. , Келлер И.Э. Обзор моделей, описывающих временные эффекты в процессах циклической пластичности и усталости / В книге: Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред. Материалы XXXI Международного симпозиума им. А.Г. Горшкова. Москва, 19 - 23 мая 2025. Т.1. М.: ООО "ТРП", 2025. 206 с. С. 109-110. (год публикации - 2025)

8. Петухов Д.С., Дудин Д.С., Келлер И.Э. Учет поверхностных остаточных напряжений и нестационарности нагружения при оценке усталостной долговечности на полетных циклах Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Физико-математические науки» (год публикации - 2025)

9. Келлер И.Э., Петухов Д.С. Моделирование эффекта частоты нагружения и наличия выдержек в рамках эволюционной модели усталостного разрушения Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред. Материалы XXXI Международного симпозиума им. А.Г. Горшкова. Т.1. М.: ООО "ТРП", 2025. 206 с., Келлер И.Э., Петухов Д.С. Моделирование эффекта частоты нагружения и наличия выдержек в рамках эволюционной модели усталостного разрушения // В книге: Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред. Материалы XXXI Международного симпозиума им. А.Г. Горшкова. Кремёнки, 19 - 23 мая 2025. Т.1. М.: ООО "ТРП", 2025. 206 с. С. 110-111. (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Выполнен обзор экспериментальных работ об исследовании реономных эффектов усталостной долговечности металлических сплавов при различных температурах. Некоторые металлические сплавы при определенных температурных условиях демонстрируют зависимость усталостной долговечности от частоты нагружения: смещение диаграммы Вёлера вправо и/или вверх при увеличении частоты нагружения. Выдержки в нагруженном состоянии (особенно при максимальной нагрузке) в цикле могут приводить к снижению усталостной долговечности, достигающему трёх порядков. При этом нагружение может сопровождаться циклической ползучестью (рэтчетингом), а может и не сопровождаться (и тогда эффект называется двеллингом). Найдены данные испытаний двухфазного титанового сплава ВТ6 при комнатной температуре на усталость по программе с синусоидальными циклами с частотой 30 Гц и R=0, 0.5, -1, программе с треугольными циклами с частотой 1 Гц и R=0, а также программе с трапецеидальными циклами с выдержкой 120 с и R=0 (последние два типа испытаний выполнены на одинаковых образцах и оборудовании ПНИПУ). Эти данные демонстрируют снижение долговечности в области малоцикловой усталости при увеличении выдержки/периода приблизительно на два порядка и служат для идентификации модели. Выполнен обзор моделей, описывающих реономные эффекты при циклической пластичности и усталости. В расчётах на усталостную долговечность влияние частоты и выдержек присутствует почти исключительно в контексте ползучести. В рамках связанной модели циклической ползучести и роста поврежденности Шабоша - Леметра склерономная и реономная (связанная с ползучестью) компоненты повреждённости при этом суммируются. В инженерных расчетах для учета зависимости усталостной долговечности от частоты нагружения предлагается считать, что количество циклов до разрушения зависит только от размаха пластической деформации. Тогда усталостная диаграмма, перестроенная через напряжение, деленное на зависимость напряжения течения от скорости деформации, приводит к вертикальному смещению кривой усталости вверх при увеличении частоты испытаний. В настоящем проекте для нагружения в упругом диапазоне разрабатывается несвязанная с неупругими деформациями модель накопления усталостной поврежденности, но для описания всех эффектов, влияющих на усталостную долговечность, структура ее оказывается сложнее модели Шабоша - Леметра. Сформулирована эволюционная модель накопления усталостных повреждений в виде функционала изменения напряжений во времени, не связанного с неупругими деформациями, учитывающая реономные эффекты зависимости усталостной долговечности от частоты нагружения и времени выдержки под напряжением в цикле. Параметр повреждённости состоит из склерономной и реономной частей, эволюция которых зависит от расстояний до поверхности выносливости и предельной поверхности. Реономная часть повреждённости находится из нелинейного эволюционного уравнения, описывающего насыщение до значения, связанного с накопленной склерономной поврежденностью. Константы этого уравнения контролируют скорость роста поврежденности при выдержках, максимальный прирост за цикл и увеличение эффекта выдержек при повышении уровня нагрузки. Подобное реономное эволюционное уравнение записано для предела выносливости, константы этого уравнения управляют максимальным значением и скоростью снижения предела выносливости, а также скоростью восстановления предела выносливости до его исходного значения, пока напряжённое состояние остается внутри поверхности выносливости. Материальные константы модели были определены для двухфазного титанового сплава ВТ6, проявляющего чувствительность усталостных свойств к временным характеристикам циклического нагружения при комнатной температуре. Были использованы новые данные испытаний на усталость ВТ6 с различной частотой и длительностью выдержек, полученные в ПНИПУ. Показано, что модель может корректно описывать эти данные, а также прогнозировать усталостную долговечность для более широкого диапазона условий нагружения. Усталостный ресурс детали газотурбинного двигателя был рассчитан по полетным циклам, содержащим выдержки под напряжением в цикле, в результате чего показана значительная неконсервативность (заниженность) оценки в рамках обычно используемых методик со схематизацией программы нагружения и линейным суммированием повреждений. Предложена методика расчёта усталостной долговечности на полетных циклах нагружения с учетом поверхностных остаточных напряжений, примененная для проушины тяги кронштейна крепления авиационного двигателя, на контактной цилиндрической поверхности которых наведены остаточные напряжения. По данным разрушающего контроля определяется распределение собственных деформаций вблизи поверхности с использованием полученной авторами реконструктивной формулы, которое внедряется в конечноэлементную модель через начальные деформации многослойных оболочечных элементов. Рассчитывается распределение остаточных напряжений, порожденных собственными деформациями, а также напряжений, вызванных максимальными эксплуатационными нагрузками в полетном цикле. Остаточные напряжения смещают опасную точку с поверхности внутрь детали, практически не изменяя эксплуатационных напряжений. Для оценки времени зарождения усталостной трещины на полетных циклах используется предложенная авторами эволюционная модель. По экспериментальным кривым усталости определено два набора констант эволюционной модели, один из которых описывает чувствительность к нерегулярности нагружения, а другой ― нет. Кривые усталости для случая, когда очаг усталостного разрушения находится под слоем собственных деформаций, сымитированы сдвигом результатов испытаний образцов без поверхностного упрочнения. Расчет для различных представлений полетного цикла и различных распределений собственных деформаций вблизи поверхности показал, что упрощение первого или второго приводит к менее консервативным (более завышенным, опасным) оценкам усталостной долговечности. Данный эффект не описывается в рамках расчетов со схематизацией истории нагружения, сведения отдельных циклов многоосного нагружения к эквивалентным одноосным и суммированию их вкладов в поврежденность. Усталостное разрушение, зарождающееся под слоем остаточных напряжений, прогнозируется моделью как менее опасное событие, чем разрушение, начинающееся с поверхности.

Публикации