[论文解读] Probabilistic LCF Risk Evaluation of a Turbine Vane by Combined Size Effect and Notch Support Modeling

Lucas Mäde, Sebastian Schmitz+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2017

Fatigue and fracture mechanics参考文献 7被引用 7

一句话总结

该论文提出了一种融合尺寸效应与缺口支撑机制的随机低周疲劳（LCF）风险模型，用于涡轮叶片寿命预测。通过结合基于威布尔分布的危险密度与依赖应力梯度的缺口支撑模型，该方法在传统E-N曲线方法基础上显著提升了预测精度，在高应力梯度区域的预测寿命最高可达4.43倍。

ABSTRACT

A probabilistic risk assessment for low cycle fatigue (LCF) based on the so-called size effect has been applied on gas-turbine design in recent years. In contrast, notch support modeling for LCF which intends to consider the change in stress below the surface of critical LCF regions is known and applied for decades. Turbomachinery components often show sharp stress gradients and very localized critical regions for LCF crack initiations so that a life prediction should also consider notch and size effects. The basic concept of a combined probabilistic model that includes both, size effect and notch support, is presented. In many cases it can improve LCF life predictions significantly, in particular compared to extit{E-N} curve predictions of standard specimens where no notch support and size effect is considered. Here, an application of such a combined model is shown for a turbine vane.

研究动机与目标

• 解决传统确定性LCF模型无法捕捉涡轮部件中统计离散性与局部应力梯度的问题。
• 将源于次表面应力梯度的缺口支撑效应整合进随机框架，以更准确反映镍基高温合金中实际的裂纹萌生行为。
• 在850 °C条件下，通过实验数据验证所提联合模型，证明其在考虑缺口效应时相比忽略缺口效应的模型具有更高的寿命预测精度。
• 在真实涡轮叶片上实现该模型的实际应用，识别出关键高风险区域，并量化缺口支撑带来的风险降低效果。

提出的方法

• 采用局部威布尔危险密度方法建模随机裂纹萌生，通过在结构域上进行表面积分引入统计尺寸效应。
• 通过基于应力梯度的等效应变弹性应力场参数化方式引入缺口支撑，利用归一化应力梯度χ量化次表面应力不均匀性。
• 以Coffin-Manson-Basquin（CMB）模型作为基线疲劳准则，其参数σ′f、b、ε′f与c由材料试验获得。
• 利用最大似然估计（MLE）对850 °C下的实验LCF数据进行校准，以确定威布尔尺度参数η，确保统计一致性。
• 通过根据应力梯度场χ调整威布尔尺度参数，改进危险密度计算，使其同时包含尺寸效应与缺口支撑。
• 采用有限元分析（FEA）计算涡轮叶片几何结构中的等效应变弹性应力σe与应力梯度χ，实现空间分辨的风险映射。

实验结果

研究问题

• RQ1 在随机LCF模型中引入缺口支撑后，与忽略缺口支撑的模型相比，其对涡轮叶片裂纹萌生寿命的预测有何影响？
• RQ2 结合尺寸效应与缺口支撑的模型相较于标准E-N曲线方法，在寿命预测精度上提升了多少？
• RQ3 涡轮叶片上高概率风险的关键区域位于何处？应力梯度如何影响这些区域的预测结果？
• RQ4 该缺口支撑模型是否可在850 °C下的热机械疲劳条件下通过实验进行验证？
• RQ5 在具有尖锐几何过渡（高χ）与平滑过渡（低χ）的区域之间，该模型对概率寿命的预测有何差异？

主要发现

• 在随机模型中引入缺口支撑后，预测的概率寿命显著提高，联合尺寸效应因子达到4.43。
• 位于顶部冷却通道尖锐边缘的测点2，其危险密度与风险因缺口支撑作用而显著降低，相较于位于外侧机匣附近尾缘的测点1，降幅更为明显。
• 当引入缺口支撑后，测点2的危险密度低于测点1，与无缺口支撑情况下的趋势相反，证实了模型的物理解释一致性。
• 该模型预测高应力梯度区域（如冷却通道边缘）具有更高的概率寿命，符合应力梯度降低局部裂纹萌生风险的物理原理。
• 该模型与实验数据具有良好一致性，验证了将缺口支撑整合进随机框架的合理性。
• 缺口支撑效应在具有尖锐几何过渡的区域最为显著，这些区域的应力梯度最高，证实了模型对局部应力不均匀性的敏感性。