景國(guó)璽，張文凱，張軍海，劉欣源，花琳

(1.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300401；2.天津市新能源汽車動(dòng)力傳動(dòng)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300400；3.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)柴油機(jī)增壓技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300400)

為滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求和高功率要求，渦輪增壓技術(shù)在20世紀(jì)被首次提出。渦輪增壓技術(shù)可以大幅度提高內(nèi)燃機(jī)的性能，減少有害氣體的排放，對(duì)提高內(nèi)燃機(jī)的性能意義重大[1]。由于汽車運(yùn)行工況復(fù)雜多變，增壓器轉(zhuǎn)速有時(shí)會(huì)超過(guò)標(biāo)定轉(zhuǎn)速，而且高功率柴油機(jī)要求不斷提高增壓比，這些都對(duì)增壓器的渦輪和葉輪的強(qiáng)度及疲勞性能提出更高的要求，而渦輪和葉輪的工作可靠性是增壓器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)[2]。

在實(shí)際工作過(guò)程中渦輪和葉輪受到多種載荷的耦合作用，包括螺栓裝配載荷、熱載荷、離心力載荷和氣動(dòng)載荷，其中離心力載荷對(duì)渦輪和葉輪的應(yīng)力及變形影響最大[3-4]。北方交通大學(xué)的朱寶山和侯炳麟等[5]針對(duì)增壓器超轉(zhuǎn)速下的葉輪進(jìn)行彈塑性分析，為超轉(zhuǎn)速加工工藝規(guī)程提供了定量依據(jù)。浙江大學(xué)的陸君毅和吳秀仁[6]通過(guò)葉輪的超轉(zhuǎn)速破壞性試驗(yàn)，對(duì)高強(qiáng)度鋼制閉式葉輪在離心力場(chǎng)下的破壞過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)研究。浙江大學(xué)的吳秀仁[7]提出了一種模塊式增壓器葉輪立式超轉(zhuǎn)速試驗(yàn)機(jī)，具有試驗(yàn)轉(zhuǎn)速、質(zhì)量、外形尺寸等參數(shù)范圍寬的特點(diǎn)，理論上最高轉(zhuǎn)速可達(dá)120 000 r/min。中航工業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所的萬(wàn)江艷和周柏卓[8]建立了與材料延伸率相關(guān)的輪盤(pán)彈塑性破裂準(zhǔn)則，采用非線性有限元法對(duì)變厚度輪盤(pán)破裂試驗(yàn)件的破裂轉(zhuǎn)速進(jìn)行了預(yù)測(cè)，試驗(yàn)對(duì)比效果良好。王浩然[9]進(jìn)一步使用 Tresca 屈服準(zhǔn)則下的整體塑性失穩(wěn)破壞準(zhǔn)則，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了 GH4169 材料復(fù)雜幾何形狀模擬盤(pán)的破裂轉(zhuǎn)速，揭示了整體塑性失穩(wěn)破壞準(zhǔn)則下屈服準(zhǔn)則的選用對(duì)于輪盤(pán)破裂轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)的影響。Hassani等[10]采用了HAM方法和有限元法，得到了彈塑性載荷作用下非均勻厚度和材料特性的旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)的應(yīng)力應(yīng)變分布。Ranjan和 Vinayak等[11]采用有限元方法對(duì)典型變厚度燃?xì)廨啓C(jī)盤(pán)進(jìn)行了不同轉(zhuǎn)速下的彈性和彈塑性分析，得到了復(fù)雜載荷條件下的爆炸裕度。

目前多數(shù)研究都是針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)進(jìn)行破裂轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)。根據(jù)GJB 241A—2010《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》，當(dāng)輪盤(pán)承受最大溫度梯度和最高工作溫度時(shí)，輪盤(pán)的設(shè)計(jì)破裂轉(zhuǎn)速不低于最高允許穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的122%，但對(duì)于車用發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉輪，葉輪的破裂轉(zhuǎn)速要求在標(biāo)定轉(zhuǎn)速的1.4倍以上。考慮到航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)與壓氣機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)和材料特性的差異，渦輪盤(pán)預(yù)測(cè)破裂轉(zhuǎn)速的方法不能完全應(yīng)用于壓氣機(jī)葉輪。隨著增壓技術(shù)的廣泛應(yīng)用，壓氣機(jī)葉輪在超轉(zhuǎn)速工況下的安全成為亟待解決的問(wèn)題，也是影響壓氣機(jī)正常工作的關(guān)鍵問(wèn)題之一，對(duì)壓氣機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)速破壞研究分析具有重要的意義。

本研究針對(duì)某型壓氣機(jī)葉輪，進(jìn)行彈塑性失效分析，提出3種預(yù)測(cè)失效轉(zhuǎn)速的方法。針對(duì)葉輪材料鍛鋁合金2A70進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，獲得材料的各項(xiàng)性能參數(shù)。對(duì)壓氣機(jī)葉輪進(jìn)行超轉(zhuǎn)速破壞試驗(yàn)，將試驗(yàn)葉輪失效轉(zhuǎn)速與仿真模擬預(yù)測(cè)失效轉(zhuǎn)速進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證3種預(yù)測(cè)失效轉(zhuǎn)速方法的準(zhǔn)確性。

1 葉輪超轉(zhuǎn)速理論分析

大量的強(qiáng)度破壞現(xiàn)象和試驗(yàn)證明，無(wú)論應(yīng)力狀態(tài)多么復(fù)雜，在常溫、靜載荷的條件下，材料失效的形式主要有兩種，分別為脆性斷裂和塑性屈服[12]。本研究中葉輪材料為鍛鋁合金，在屈服極限之前應(yīng)力與應(yīng)變成正比，在屈服極限之后出現(xiàn)塑性變形。選擇合適的強(qiáng)度破壞理論，是預(yù)測(cè)葉輪最大失效轉(zhuǎn)速的關(guān)鍵。

1.1 Mises應(yīng)力理論

對(duì)于均質(zhì)脆性材料，第一強(qiáng)度理論與試驗(yàn)結(jié)果吻合，即無(wú)論材料處于什么應(yīng)力狀態(tài)，只要危險(xiǎn)點(diǎn)處的最大拉應(yīng)力σ1達(dá)到材料單向拉伸時(shí)的斷裂真應(yīng)力σ，材料就會(huì)發(fā)生脆性斷裂，即材料的破壞條件為

σ1=σ。

(1)

對(duì)于復(fù)雜構(gòu)件來(lái)說(shuō)，該理論未考慮其他兩個(gè)主應(yīng)力的影響，因此德國(guó)的R. Von Mises 在 1931 年提出Mises應(yīng)力。該應(yīng)力考慮中間應(yīng)力的影響，不需要知道3個(gè)主應(yīng)力的方向。對(duì)于韌性金屬，該條件非常接近于試驗(yàn)情況。Mises應(yīng)力計(jì)算公式為

(2)

式中：σx，σy和σz為3個(gè)方向的正應(yīng)力；τxy，τyz和τzx為3個(gè)方向的剪應(yīng)力。

1.2 主塑性應(yīng)變理論

對(duì)于脆性斷裂來(lái)說(shuō)，第二強(qiáng)度理論與試驗(yàn)吻合較好，即無(wú)論材料處于什么應(yīng)力狀態(tài)，只要危險(xiǎn)點(diǎn)處的最大拉應(yīng)變?chǔ)?達(dá)到材料的單向拉伸斷裂時(shí)的拉應(yīng)變極限值ε1u，材料就發(fā)生脆性斷裂，即材料破壞條件為

ε1=ε1u。

(3)

對(duì)于受力情況復(fù)雜的構(gòu)件來(lái)說(shuō)，應(yīng)變可分為彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變，彈性應(yīng)變?cè)趹?yīng)力消失后可恢復(fù)[13]，因此提出主塑性應(yīng)變理論：當(dāng)葉輪的轉(zhuǎn)速增加時(shí)，葉輪任一點(diǎn)的主塑性應(yīng)變?chǔ)舙1達(dá)到材料的斷裂塑性應(yīng)變?chǔ)舙時(shí)，葉輪發(fā)生破壞，這時(shí)的轉(zhuǎn)速就是葉輪的失效轉(zhuǎn)速。

1.3 等效塑性應(yīng)變能理論

超轉(zhuǎn)速過(guò)程中任一點(diǎn)的應(yīng)變?chǔ)哦伎杀硎緸閺椥詰?yīng)變?chǔ)舉和塑性應(yīng)變?chǔ)舙之和，即

(4)

式中：E為彈性模量；K為強(qiáng)度系數(shù)；n為應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)。葉輪超轉(zhuǎn)速的過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系符合著名的Remberg-Osgood彈塑性模型。若變形過(guò)程中不考慮其他能量對(duì)該系統(tǒng)的影響，外力的變化緩慢，則結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變能近似等于外力對(duì)該系統(tǒng)做的功，即應(yīng)力應(yīng)變曲線下包含的面積可用下式表示[14]：

(5)

式中：ε為應(yīng)變；σ(ε)為應(yīng)力關(guān)于應(yīng)變的函數(shù)。

(6)

式中：εpx，εpy和εpz為3個(gè)方向的塑性正應(yīng)變；εpxy，εpyz和εpzx為3個(gè)方向的塑性剪應(yīng)變。

(7)

式中：εp為塑性應(yīng)變；σ(εp)為應(yīng)力關(guān)于塑性應(yīng)變的函數(shù)。

2 葉輪超轉(zhuǎn)速破壞仿真模擬研究

2.1 有限元模型

壓氣機(jī)模型(見(jiàn)圖1)由螺母、葉輪、軸封套、甩油盤(pán)、止推、間隔套和轉(zhuǎn)軸組成，壓氣機(jī)葉輪、軸承套等零部件通過(guò)螺母與轉(zhuǎn)軸固定。模型采用四面體二階單元，局部進(jìn)行細(xì)化處理，葉輪材料為鍛鋁合金2A70。

圖1 壓氣機(jī)模型

2.2 葉輪材料的力學(xué)性能參數(shù)

葉輪在工作過(guò)程中的受力情況十分復(fù)雜，對(duì)葉輪的強(qiáng)度等性能提出了很高的要求?？紤]到葉輪在超轉(zhuǎn)速過(guò)程中發(fā)生塑性變形，僅采用彈性模型得出的結(jié)果并不可靠，無(wú)法做出確切的失效分析，其結(jié)果將使模型不能充分發(fā)揮材料的全部承載能力[15]，因此采用彈塑性模型。根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行葉輪試樣的室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣尺寸如圖2所示，試驗(yàn)在MTS電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。測(cè)試試樣(見(jiàn)圖3)為3個(gè)，試樣編號(hào)為W1-L-1，W1-L-2，W1-L-3。試驗(yàn)溫度為25 ℃，試驗(yàn)時(shí)加載應(yīng)變速率為0.000 25/s。

圖2 拉伸試樣尺寸

圖3 室溫拉伸試驗(yàn)試樣

圖4示出2A70材料的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線，可以看出，拉伸變形后期存在輕微頸縮現(xiàn)象，導(dǎo)致在工程應(yīng)力應(yīng)變曲線中出現(xiàn)應(yīng)力下降的情況。材料在屈服點(diǎn)以后，分子的流動(dòng)導(dǎo)致試樣的橫截面面積A顯著減小，材料實(shí)際承受的應(yīng)力要大于按原始的橫截面面積計(jì)算的工程應(yīng)力。所加載荷應(yīng)等于真實(shí)應(yīng)力與實(shí)際面積的乘積。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，得到真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖5所示。室溫下葉輪材料2A70的性能參數(shù)見(jiàn)表1。

圖5 2A70材料真應(yīng)力應(yīng)變曲線

表1 2A70材料參數(shù)

2.3 葉輪載荷分析和約束條件

參考葉輪在超轉(zhuǎn)速試驗(yàn)的工作過(guò)程，葉輪主要受到螺栓預(yù)緊力和離心力的作用。根據(jù)螺母的形狀尺寸以及扭緊力矩62 N·m，可計(jì)算出離心力約為38 000 N。離心力載荷以角速度的形式施加在葉輪上，隨著轉(zhuǎn)速的增加，離心力不斷增大，角速度也不斷增大。轉(zhuǎn)速的變化過(guò)程按照葉輪超轉(zhuǎn)速破壞試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行，如圖6所示。

圖6 葉輪升速規(guī)范

根據(jù)葉輪的超轉(zhuǎn)速試驗(yàn)進(jìn)行約束，如圖7和圖8所示，對(duì)位置1約束Z方向的移動(dòng)，對(duì)位置2約束X和Y方向的移動(dòng)，對(duì)位置3施加螺栓預(yù)緊力。

圖7 壓氣機(jī)約束位置

圖8 壓氣機(jī)螺栓預(yù)緊面

2.4 葉輪載荷特性分析

利用abaqus軟件，進(jìn)行壓氣機(jī)葉輪的有限元分析。在仿真分析計(jì)算超轉(zhuǎn)速工況時(shí)，首先需要施加螺栓預(yù)緊載荷，僅考慮螺栓裝配載荷時(shí)的應(yīng)力分布云圖如圖9所示。Mises應(yīng)力為葉輪的等效應(yīng)力，主應(yīng)力圖可用來(lái)判斷局部的拉伸壓縮情況。當(dāng)主應(yīng)力為正時(shí)，呈拉伸狀態(tài)，當(dāng)主應(yīng)力為負(fù)時(shí)，呈壓縮狀態(tài)。

葉輪主要受壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力為269 MPa左右，出現(xiàn)在葉輪靠近螺母一端的端面上，是由于螺栓預(yù)緊力在此處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，但葉輪未發(fā)生塑性變形。

圖9 螺栓預(yù)緊力載荷下的應(yīng)力分布

圖10示出不同轉(zhuǎn)速下葉輪的Mises應(yīng)力分布云圖，圖11示出不同轉(zhuǎn)速下葉輪的主應(yīng)力分布云圖，可以看出，在標(biāo)定轉(zhuǎn)速90 200 r/min下，葉輪的最大拉應(yīng)力為327 MPa左右，出現(xiàn)在葉片根部區(qū)域。葉片工作面的葉根處主要受拉應(yīng)力，另一側(cè)葉根處主要承受壓應(yīng)力。由于葉片根部設(shè)計(jì)相對(duì)較薄，因此出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)[16]。

圖10 不同轉(zhuǎn)速下葉輪Mises應(yīng)力分布

圖11 不同轉(zhuǎn)速下葉輪主應(yīng)力分布

3 葉輪超轉(zhuǎn)速破壞試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)說(shuō)明

渦輪增壓器葉輪超轉(zhuǎn)速破壞試驗(yàn)的目的在于評(píng)估增壓器在超轉(zhuǎn)速條件下的工作可靠性，同時(shí)可作為確定增壓器最高破壞轉(zhuǎn)速的依據(jù)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不變的前提下，葉輪超轉(zhuǎn)速破壞試驗(yàn)結(jié)果反映葉輪承受離心力的能力。大量的工程實(shí)踐證明，利用葉輪的超轉(zhuǎn)速破壞試驗(yàn)可以檢查葉輪設(shè)計(jì)的可靠性和鑄造質(zhì)量，對(duì)葉輪的設(shè)計(jì)和應(yīng)用都具有重要的意義。

增壓器的超轉(zhuǎn)速破壞試驗(yàn)采用外氣源熱吹的方式進(jìn)行，在有防護(hù)裝置的專用試驗(yàn)臺(tái)架(見(jiàn)圖12)上進(jìn)行。在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，葉輪加速到標(biāo)定轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定運(yùn)行5～20 min，然后繼續(xù)增加葉輪的轉(zhuǎn)速，直到葉輪發(fā)生斷裂破壞，記錄葉輪發(fā)生失效的轉(zhuǎn)速，為增壓器壓氣機(jī)葉輪的仿真模擬提供最大轉(zhuǎn)速依據(jù)。

圖12 葉輪超轉(zhuǎn)速試驗(yàn)臺(tái)示意

3.2 葉輪的超轉(zhuǎn)速破壞試驗(yàn)結(jié)果分析

在超轉(zhuǎn)速試驗(yàn)臺(tái)上完成葉輪的超轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，當(dāng)壓氣機(jī)葉輪飛散時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)速約為126 700 r/min，約為標(biāo)定轉(zhuǎn)速的1.4倍，滿足基本設(shè)計(jì)要求。

4 葉輪失效轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)方法

在葉輪轉(zhuǎn)速增加時(shí)，葉輪內(nèi)部的缺陷或者葉輪表面的加工問(wèn)題，都會(huì)造成應(yīng)力集中并產(chǎn)生裂紋源。在試驗(yàn)時(shí)，葉輪裂紋拓展，直至斷裂。但在仿真時(shí)，采用不同的葉輪失效轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)方法，往往會(huì)得出不同的結(jié)果。

本研究采用了3種預(yù)測(cè)失效轉(zhuǎn)速的方法，分別基于葉輪的Mises應(yīng)力、主塑性應(yīng)變和等效塑性應(yīng)變能。方法一基于葉輪的Mises應(yīng)力，比較通過(guò)拉伸試驗(yàn)得到的材料斷裂真應(yīng)力與葉輪仿真模擬得到的Mises應(yīng)力，找出葉輪的失效轉(zhuǎn)速。方法二基于主塑性應(yīng)變，為試驗(yàn)試樣斷裂時(shí)發(fā)生的主塑性應(yīng)變。方法三基于等效塑性應(yīng)變能，即物體變形過(guò)程中儲(chǔ)存在物體內(nèi)部的勢(shì)能。根據(jù)超轉(zhuǎn)速試驗(yàn)易開(kāi)裂的位置，結(jié)合有限元仿真的結(jié)果，在葉輪上確定14個(gè)典型的觀察點(diǎn)，各觀察點(diǎn)的位置如圖13所示。由于葉輪是軸對(duì)稱模型，因此選擇的觀察點(diǎn)集中于一對(duì)大、小葉片和輪盤(pán)上，根據(jù)Mises應(yīng)力、主塑性應(yīng)變出現(xiàn)的位置和結(jié)構(gòu)特征來(lái)確定。

圖13 觀察點(diǎn)示意

4.1 基于Mises應(yīng)力的失效轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)方法

通過(guò)材料的拉伸壓縮試驗(yàn)，可以得出材料在室溫下的斷裂真應(yīng)力為437 MPa。根據(jù)Mises應(yīng)力理論，當(dāng)葉輪上任一點(diǎn)的Mises應(yīng)力大于437 MPa時(shí)，葉輪發(fā)生破壞，此時(shí)對(duì)應(yīng)的葉輪轉(zhuǎn)速即為葉輪失效轉(zhuǎn)速。由圖14可知，葉輪上P5點(diǎn)的Mises應(yīng)力首先達(dá)到437 MPa，開(kāi)裂位置出現(xiàn)在小葉片葉根處。此時(shí)葉輪的轉(zhuǎn)速131 975 r/min即為失效轉(zhuǎn)速，是標(biāo)定轉(zhuǎn)速的1.46倍。

圖14 不同觀察點(diǎn)Mises應(yīng)力隨轉(zhuǎn)速的變化曲線

4.2 基于主塑性應(yīng)變的失效轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)方法

通過(guò)材料的拉伸壓縮試驗(yàn)，可以得出材料在室溫下的斷裂塑性應(yīng)變?yōu)?.127。根據(jù)主塑性應(yīng)變理論，當(dāng)葉輪上任一點(diǎn)的主塑性應(yīng)變大于0.127時(shí)，葉輪發(fā)生破壞。由圖15可知，葉輪上P13點(diǎn)的主塑性應(yīng)變首先達(dá)到0.127，開(kāi)裂位置出現(xiàn)在小葉片葉根處。此時(shí)葉輪的轉(zhuǎn)速137 815 r/min即為葉輪的失效轉(zhuǎn)速，約為標(biāo)定轉(zhuǎn)速的1.53倍。

圖15 不同觀察點(diǎn)主塑性應(yīng)變隨轉(zhuǎn)速變化曲線

4.3 基于等效塑性應(yīng)變能的失效轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)方法

通過(guò)材料的拉伸試驗(yàn)，可以得出在室溫下材料破壞時(shí)的塑性應(yīng)變能為51.64 J。根據(jù)葉輪超轉(zhuǎn)速過(guò)程中的等效塑性應(yīng)變能理論，當(dāng)葉輪任一點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變能大于51.64 J時(shí)，葉輪發(fā)生破壞。由圖16可知，葉輪上P13點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變能首先達(dá)到材料破壞時(shí)的塑性應(yīng)變能，開(kāi)裂位置出現(xiàn)在小葉片葉根處。此時(shí)葉輪的轉(zhuǎn)速為135 455 r/min，即135 455 r/min為失效轉(zhuǎn)速，約為標(biāo)定轉(zhuǎn)速的1.5倍。

圖16 不同觀察點(diǎn)等效塑性應(yīng)變能隨轉(zhuǎn)速的變化

4.4 葉輪失效轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)方法分析

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證與仿真的對(duì)比分析可知，利用Mises應(yīng)力預(yù)測(cè)失效轉(zhuǎn)速的方法相對(duì)試驗(yàn)偏差相對(duì)較小，為4.2%，Mises應(yīng)力值可從仿真中直接得到。利用等效塑性應(yīng)變能計(jì)算預(yù)測(cè)失效轉(zhuǎn)速的方法偏差相對(duì)較大，為6.9%。利用主塑性應(yīng)變預(yù)測(cè)失效轉(zhuǎn)速的方法相對(duì)試驗(yàn)偏差最大，為8.8%，可從仿真結(jié)果中直接讀取。

從對(duì)比結(jié)果來(lái)看，三種方法預(yù)測(cè)出的失效轉(zhuǎn)速均大于試驗(yàn)值。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因有兩個(gè)：一是葉輪表面存在用于改善葉輪氣動(dòng)性能的紋路，葉輪表面較粗糙，而葉輪材料拉伸試驗(yàn)中使用的拉伸試樣較光滑，這是仿真得出的葉輪失效轉(zhuǎn)速大于試驗(yàn)值的主要原因；二是由于試驗(yàn)成本的限制，只進(jìn)行了一個(gè)葉輪的超轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，超轉(zhuǎn)速試驗(yàn)得出的失效轉(zhuǎn)速具有一定的分散性，試驗(yàn)失效轉(zhuǎn)速結(jié)果理論上應(yīng)為一定范圍區(qū)間的分布，因此仿真給出的失效轉(zhuǎn)速與試驗(yàn)值存在一定的偏差。

本研究采用的3種方法借鑒了航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)的破裂準(zhǔn)則，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究。從預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)看，3種方法同樣適用于車用發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉輪的失效轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)，因此模型具有一定的普適性，但對(duì)于塑性較好的鋁合金材料，推薦采用Mises應(yīng)力作為超轉(zhuǎn)速失效判據(jù)。

5 結(jié)論

a) 葉輪在超轉(zhuǎn)速工況下主要受到螺栓預(yù)緊力和離心力的影響，其中離心力的影響最大；最大應(yīng)力出現(xiàn)在葉片根部區(qū)域；

b) 在超轉(zhuǎn)速試驗(yàn)臺(tái)完成壓氣機(jī)葉輪的超轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，葉輪的破壞轉(zhuǎn)速為126 700 r/min，為標(biāo)定轉(zhuǎn)速的1.4倍，符合葉輪強(qiáng)度的安全標(biāo)準(zhǔn)；

c) 提出3種預(yù)測(cè)葉輪失效轉(zhuǎn)速的方法，分別基于Mises應(yīng)力、主塑性應(yīng)變和等效塑性應(yīng)變能，綜合比較3種方法，基于Mises應(yīng)力預(yù)測(cè)失效轉(zhuǎn)速的方法相對(duì)試驗(yàn)偏差最小，為4.2%；3種方法預(yù)測(cè)的破壞位置均在小葉片葉根處，預(yù)測(cè)的最大轉(zhuǎn)速均偏大。