力学季刊

作者：杜青, 王永强, 徐茂盛, 陈坚, 吴宏, 宋志强

关键词：残余应力；有限元方法；蠕变；疲劳裂纹扩展；涡轮叶片

涡轮叶片的寿命受到疲劳裂纹扩展的影响，频繁启停和高温高压的工作环境决定了残余应力是影响裂纹扩展的关键因素．针对高温燃气轮机运行中涡轮叶片“热点”区域易发生疲劳裂纹扩展的问题，建立了一种考虑残余应力驱动机制的断裂寿命有限元预测方法．该方法基于顺序热力耦合有限元分析，模拟涡轮叶片在热-机械疲劳(TMF)循环中高温蠕变和塑性变形引起的残余应力演化过程；并借助FRANC3D对叶片尾缘高温残余应力集中区引入初始裂纹，结合残余应力场开展裂纹扩展路径及寿命计算．研究发现，尾缘及缘板边缘区域的残余拉应力显著，是裂纹萌生与扩展的主导因素；其中尾缘“热点”区域的裂纹扩展寿命最短，约为29 000次循环．分析表明，初始裂纹宽深比越小，其裂纹扩展寿命越短，且裂纹扩展轨迹与第一主应力方向一致．本文所构建的仿真框架具备良好的工程适应性，可为高温涡轮叶片疲劳寿命预测与优化设计提供有效支撑．

来源：2025年第4期

《力学季刊》期刊编辑部

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