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作为航空发动机的主承力部件之一,高压涡轮盘承受着复杂的循环热载荷和机械载荷的耦合作用,继而发生各种形式的失效破坏,其中高温低周疲劳破坏是涡轮盘最主要的失效形式之一。涡轮盘一旦发生疲劳破坏,将会给发动机甚至飞机的正常运行造成极大的安全隐患,导致灾难性后果。因此,开展随机载荷作用下的涡轮盘概率疲劳寿命预测及可靠性分析具有重要的科学意义和工程应用价值。本文以某型发动机高压涡轮盘为研究对象,展开了以下研究:(1)综合考虑平均应力和棘轮效应的疲劳寿命预测。高压涡轮盘工作在高温条件下,承受着较大的平均应力,榫槽和螺栓孔部位产生较大的应力和应变。由于涡轮盘所受的非对称循环载荷和高温条件下材料的循环软化,基于动粘性的损伤量化和延性耗散理论失效判据,提出了一种综合考虑平均应力和棘轮效应的疲劳寿命预测模型,并采用多组材料试验数据对新模型的适用性和预测精度作了验证。(2)涡轮盘结构有限元分析及疲劳寿命预测。对涡轮盘危险部位如榫槽及螺栓孔部位展开了有限元分析,得到应力及应变数据,采用考虑平均应力与棘轮效应的疲劳寿命模型对涡轮盘的疲劳寿命进行了评估。研究了平均应力、应力幅值与平均棘轮应变速率的关系。最后采用疲劳累积损伤理论,计算了涡轮盘使用寿命。(3)随机载荷作用下的涡轮盘概率疲劳寿命预测。涡轮盘在服役过程中,转速、温度、结构尺寸、材料性能等因素导致承受载荷具有随机性。结合材料的P-S-N曲线,绘制了轮盘不同典型工况下的P-S-N曲线;同时,提出了一种基于P-S-N曲线的随机载荷疲劳累积损伤计算方法,进而获得涡轮盘概率疲劳寿命,最后分析了随机载荷分散性对涡轮盘寿命的影响。(4)随机载荷作用下的涡轮盘可靠性分析。根据高压涡轮盘在典型工况下的P-S-N曲线,基于应力-强度干涉理论,对高压涡轮盘进行了疲劳可靠性分析;同时,分析了随机载荷分布中均值与方差两个变量对涡轮盘可靠度的影响,并给出了等可靠度曲线的趋势图及一种随机载荷作用下的涡轮盘安全因子选取的方法。