Simulations for Problems of Estimating Structural Residual Life

Abstract


This paper presents an overview of the accumulated experience in the development and implementation of simulation principles in predicting the residual fatigue life of structural elements during their design and operation in accordance with the concept of tolerance damage. The formulated principles assume the preservation of the accumulated damage under the completed operation of structural elements as heredity of the history of their loading. The proposed sequence of the developed approach implementation includes the analysis of the stress-strain state of the damaged structural element, the development and justification of the geometry and loading conditions in operation, as well as experimental verification and validation by testing simulation models. We analyzed blades and rotating disks of steam turbines and aircraft engines. Configurations and loading conditions of the proposed simulation models reproducing the state of the critical zones of the structural elements are presented. Combinations of conditions of a multi-axial stress state, defect shape, operating temperature and profile of the in-service deformation cycle are considered. Numerical solutions are obtained for the most complex situations of modeling the behavior of surface part-through defects with a combination of mixed modes by separation, longitudinal and transverse shear. The achieved results of residual life estimations are attributed to the composition of original testing devices and methods.

Full Text

Настоящий обзор основан на положительном опыте, который накоплен коллективом сотрудников лабораторий ФИЦ Казанский научный центр РАН в порядке обоснования состоявшихся в практике эксплуатации вращающихся дисков турбомашин в авиации и станционной энергетике конструктивно-технологических решений [1 17]. Этот опыт не ограничивается настоящими результатами и в соответствующих публикациях коллектива авторов представлены приложения к трубопроводам, панелям обшивки фюзеляжа, гидроцилиндрам и т.д. [18, 19]. В настоящее время проектирование компонентов паровых турбин станционной энергетики и газотурбинных двигателей (ГТД) гражданской авиации становится очень сложным из-за высоких температур, комплексных механических нагрузок, коррозионной среды и длительных прогнозируемых сроков службы. Эксплуатация узлов паровых турбин и авиационных двигателей характеризуется достижением предельных параметров и условий. Необходимость обеспечения длительного срока службы обусловливает применение концепции допускаемой повреждаемости, основанной на анализе состояния критических зон элементов конструкций. Условия нагружения вращающихся дисков турбомашин предопределяют зарождение и развитие усталостных трещин в критических зонах в условиях многоосного напряженно-деформированного состояния, высоких температур и коррозионных сред. Состояние этих критических зон характеризуется нелинейным деформированием, когда эквивалентные напряжения по Мизесу превышают предел текучести материала при соответствующей температуре в условиях одноосного растяжения. Эти обстоятельства стимулируют разработку новых моделей роста усталостных трещин, которые все чаще используются в качестве инженерных инструментов для оценки остаточной долговечности элементов конструкций. Предполагается реализация технологии субкомпонентных испытаний и подходов континуальной механики повреждений сплошных сред, а также методов механики упругопластического разрушения к оценке несущей способности вращающихся дисков турбомашин. Прогнозирование роста усталостных трещин в критических зонах вращающегося диска при нестационарном термо-механическом нагружении, является одной из составляющих стратегии эксплуатации по условиям допускаемой повреждаемости на основе диагностики индивидуального технического состояния элементов конструкций. Одним из инженерных инструментов достижения этих целей могут быть подходы по имитационному моделированию. Подобные подходы можно разделить на две основные стратегии. Первая представляет собой испытания образцов или имитационных моделей, которые непосредственно вырезаны из рассматриваемых критических зон конструкций. В этом случае имитационная модель содержит эксплуатационные повреждения, накопленные в критических зонах, и сохраняет состояние внешней поверхности при достигнутом уровне долговечности. Вторая стратегия требует проектирования и изготовления специальных имитационных моделей и испытательных стендов. В некоторых случаях имитация применяется для калибровки и проверки усовершенствованных подходов к моделированию роста усталостных трещин и прогнозированию срока службы, поскольку очень сложно воспроизвести на стандартных испытательных образцах напряженно-деформированное состояние, возникающее в процессе эксплуатации реальных вращающихся дисков турбомашин. Проектирование и изготовление имитационных моделей может быть осуществлено из того же материала, что и диск турбины или компрессора в строгом соответствии с технологией их изготовления. Основной недостаток испытаний полноразмерных конструкций состоит в высокой стоимости и длительности проведения испытаний, отсутствии возможностей наблюдения за развитием дефектов, а также низкой статистической достоверностью результатов испытаний. Подходы имитационного моделирования свободны от большинства подобных ограничений. Главным преимуществом имитационного моделирования в ряде случаев является замена дорогостоящих и длительных испытаний натурных конструкций. Как правило, имитационное моделирование представляет собой комбинацию расширенных экспериментальных и параметрических численных исследований.

About the authors

V. N Shlyannikov

Institute of Power Engineering and Advanced Technologies, FRC Kazan Scientific Center, Russian Academy of Sciences, Kazan, Russian Federation

References

  1. Shlyannikov V.N., Iltchenko B.V., Stepanov N.V. Fracture analysis of turbine disks and computational–experimental background of the operational decisions. Engineering Failure Analysis, 2001, Vol. 8, pp. 461–475
  2. Shlyannikov V.N., Yarullin R.R., Zakharov A.P. Fatigue of steam turbine blades with damage on the leading edge. Procedia Materials Science 3, 2014, Vol. 3, pp. 1792–1797
  3. Shlyannikov V.N., Zakharov A.P., Yarullin R.R. Structural integrity assessment of turbine disk on a plastic stress intensity factor basis. International Journal of Fatigue, 2016, Vol. 92, pp. 234–245
  4. Giannella V., Perrella M., Shlyannikov V. Fatigue crack growth in a compressor stage of a turbofan engine by FEM-DBEM approach. Procedia Structural Integrity, 2018, Vol. 12, pp. 404–415
  5. Shlyannikov V., Ishtyriakov I.S., Yarullin R.R. Life-time prediction for aviation GTE compressor disk based on mixed-mode and multi-axial fracture resistance parameter. MATEC Web of Conferences, 2018, Vol. 300
  6. Shlyannikov V.N., Ishtyriakov I.S. Crack growth rate and lifetime prediction for aviation gas turbine engine compressor disk based on nonlinear fracture mechanics parameters. Theoretical Applied Fracture Mechanics, 2019, Vol. 103, 102313
  7. Shlyannikov V.N., Yarullin R.R., Ishtyryakov I.S. Failure analysis of an aircraft GTE compressor disk on the base of imitation modeling principles. Procedia Structural Integrity, 2019, Vol. 18, pp. 322–329
  8. Shlyannikov V., Ishtyryakov I., Tumanov A. Characterization of the nonlinear fracture resistance parameters for an aviation GTE turbine disc. Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures, 2020, Vol. 43 (8), pp. 1686–1702
  9. Shlyannikov V., Yarullin R., Ishtyryakov I. Lifetime assessment for a cracked compressor disk based on the plastic stress intensity factor. Russian Aeronautics, 2020, Vol. 63, pp. 14–24
  10. Shlyannikov V.N., Yarullin R.R., Yakovlev M.M., Sulamanidze A.G. Turbomachine disc locking assembly strength test method. Patent RU 2726137 C1. 2020
  11. Shlyannikov V.N., Yarullin R.R., Yakovlev M.M., Sulamanidze A.G. Turbo-machine disc locking assembly strength test device. Patent RU 2724356 C1. 2020
  12. Shlyannikov V.N., Yarullin R.R., Yakovlev M.M., Sulamanidze A.G. Method of testing for strength of a disc of a turbomachine, having concentrators of stresses in the form of holes, and a device for its implementation. Patent RU 2730115 C1. 2020
  13. Shlyannikov V., Yarullin R., Yakovlev M., Giannella V., Citarella R. Mixed-mode crack growth simulation in aviation engine compressor disk. Engineering Fracture Mechanics, 2021, Vol. 246, 107617
  14. Sulamanidze A.G., Shlyannikov V.N., Yarullin R.R. Justification of geometry and loading conditions of the imitation model of the GTE turbine disc. Russian Aeronautics, 2021, Vol. 1, pp. 18–27
  15. Yarullin R.R., Shlyannikov V.N., Sulamanidze A.G. The crack growth in the imitation model of a GTE turbine disk under operating loading conditions. PNRPU Mechanics Bulletin, 2021, Vol. 2, pp. 203–217
  16. Shlyannikov V., Sulamanidze A., Yarullin R. Fatigue and creep-fatigue crack growth in aviation turbine disk simulation models under variable amplitude loadings. Engineering Failure Analysis, 2022, Vol. 131, 105886
  17. Shlyannikov V., Sulamanidze A., Kosov D. Isothermal and thermo-mechanical fatigue-crack-growth analysis of XH73M nickel alloy. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 2024, Vol. 129, 104182
  18. Shlyannikov V.N., Zakharov A.P., Tumanov A.V. Computational assessment of nonlinear fracture resistance parameters for cracked fuselage panel under biaxial loading. Engineering Failure Analysis, 2019, Vol. 104, pp. 1174-1187
  19. Shlyannikov V.N., Tumanov A.V., Boychenko N.V., Tartygasheva A.M. Loading history effect on creep-fatigue crack growth in pipe bend. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2016, Vol. 139–140, pp. 86-95
  20. Stepanov N.V., Shkanov I.N., Omel'chenko V.V. Modelirovanie naprjazhennogo i povrezhdennogo sostojanij diska v jekspluatacii na mnogoosnom gidravlicheskom stende. Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Aviacionnaja tehnika, 1985, no 2, pp. 95-98
  21. Shlyannikov V.N., Tumanov A.V., Boychenko N.V. A creep stress intensity factor approach to creep–fatigue crack growth. Engineering Fracture Mechanics, 2015, Vol. 142, pp. 201-219
  22. Lemaitre J.A. Continuous damage mechanics model for ductile fracture. Journal Engineering Materials Technology, 1985, Vol. 107, pp. 83-89
  23. Armstrong P.J., Frederick C.O. A Mathematical Representation of the Multiaxial Bauschinger Effect. Materials at High Temperatures, 1966, Vol. 24, pp. 1–26
  24. Miehe C., Welschinger F., Hofacker M. Thermodynamically consistent phase-field models of fracture: Variational principles and multi-field FE implementations. International Journal Numerical Methods Engineering, 2010, Vol. 83, pp. 1273–131

Statistics

Views

Abstract - 2

PDF (Russian) - 1

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2024 Shlyannikov V.N.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies