燃烧室机匣环形焊缝双轴拉伸模拟件设计

宣宏林

（哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150066）

摘  要：针对某型航空发动机燃烧室机匣环形焊缝，基于损伤等效思想，通过参数化建模与多目标优化设计方法，设计了一型能够考核环形焊缝应力状态的十字型双轴拉伸高温试验件，代替使用实体机匣开展疲劳试验的成本与风险。在典型工况下开展了不同载荷级的高温疲劳试验，得到了等效应力一疲劳寿命预测曲线，试验结果分散性较小，所有数据均在2倍分散带以内。对所有试验件进行了宏观断口分析，结果表明，疲劳裂纹萌生于试验区中心并沿焊缝扩展，与实际机匣焊缝失效规律一致。

关键词：环形焊缝；多轴疲劳；双轴拉伸；模拟件

0 引言

航空发动机燃烧室机匣是传递载荷的重要承力构件之一，通常由薄壁壳体采用焊接方式组成。在服役条件下，薄壁壳体上环形焊缝通常承受着复杂循环载荷作用，应力水平较高且呈现多轴应力状态，成为疲劳破坏的危险部位之一，进而影响整体结构疲劳性能。因此须重点关注燃烧室机匣环形焊缝多轴疲劳性能。

但采用实体机匣开展疲劳试验代价高昂、周期长，若使用一型能够模拟环形焊缝应力状态的试验件开展疲劳试验，则成本和风险都相对较低，本文将其称为模拟件。在工程应用中，模拟件的设计基本准则主要包括：①模拟件材料及性能与构件一致，体现在材料牌号、锻造工艺/方向、热处理制度等；②模拟件试验条件与构件工况一致；③最大应力点应变范围和应变分布影响系数与构件一致；④应力集中部位几何形状与构件相似或相近。

本文以某型航空发动机燃烧室机匣环形焊缝为研究对象，遵循损伤等效的原理，从设计可靠性及合理性2个方面提出1种模拟件设计方法，设计了一型与研究对象应力状态保持一致的十字型双轴拉伸高温模拟件。最终通过高温疲劳试验对所设计的模拟件进行验证，并对疲劳断口开展宏观分析，进一步探究双轴疲劳裂纹萌生方式及扩展规律，以证明模拟件具有一定的工程应用价值，能够为环形焊缝疲劳寿命预测及同类模拟件设计提供参考。

1 应力分析

某型燃烧室机厘材料为GH4169镍基高温合金，典型工作温度为600℃。其薄壁壳体上的环形焊缝为电子束焊而成的I级对接焊缝。在工作状态下，焊缝承受复杂循环载荷作用，使其部分区域应力水平较高，是导致疲劳破坏的危险部位。

首先对机匣整体开展典型工况下的有限元计算，聚焦高应力水平焊缝的危险区域，进行重点分析。计算结果表明，其中一型位于机厘中后段薄壁壳体的环形焊缝，主要体现在沿轴向的应力水平较高，且为拉应力，沿周向同样为拉应力，即三向主应力中，第一主应力和第二主应力均为拉应力，呈现双轴应力状态，相对于其他环形焊缝更加容易萌生裂纹。因此以该环形焊缝为研究对象，设计一型能够模拟其应力状态的十字型双轴拉伸模拟件。

2 模拟件设计方法

2.1 设计可靠性

目前国内外针对十字型试验件并无统一设计标准，若几何参数设置不当，会导致裂纹不从试验区萌生，引发夹持臂、螺栓孔等非试验区部位率先失效，无法达到考核目的。因此需要按照如下原则设计：模拟件中心试验区应力水平相对于非试验区部位较高且均匀。

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