Finite element analysis and experimental study of dovetail attachments

Abstract

Kırlangıç kuyuruğu tipi bağlantı elemanı, uçak motorlarının kompressor disk bölümünün kritik elemanlarından biridir. Bu tip bağlantı elemanlarında görülen en temel sorunlardan biri aşındırma yorulmasıdır. Aşındırma yorulması malzeme üzerinde oluşacak çatlakların ve aşınmanın en önemli nedenlerindendir. Kontakt yüzeyinin köşelerinde oluşan yüksek gerinimler, aşındırma yorulmasına yol açmaktadır. İncelenen bağlantı elemanı kontakt modellemesi içerdiği için, belli kontakt parametrelerinin bu yüksek gerinimlere olan etkisi incelenmiştir. Bu gerinimlerin yakınsaması, sonlu elemanlar yöntemi kullanarak eleman boyutunun küçültülmesiyle sağlanabilmektedir. Bu nedenle, çok yüksek bir bilgisayar çözüm gücü gerektirmeden bu gerinimlerin yakınsamasını sağlayan submodelling metotu kullanılmıştır. Bu metot iki farklı modele uygulanmış ve gerinimlerin yüzde 5 mertebelerinde yakınsadığı gözlemlenmiştir. Buna ek olarak kırlangıç kuyruğu bağlantı elemanın deneysel çalışması ile ilgili üç adet deney yapılmıştır. Bu çalışmaların gerçekleştirilebilmesi için bir deney düzeneği tasarlanmıştır. Sonlu elemenlar analizleriyle deney sonuçlarının kıyaslaması yapılmıştır. İlk iki deneyde, parçalar arasındaki kontakt durumlarında bir asimetri gözlenmiştir. Parçaların tam olarak hizalanmadığı da gözlemlenmiştir. Bu nedenle bu deneylerin sonuçları ve sonlu eleman analizleri sonuçları arasında tutarsızlık bulunmaktadır. Üçüncü deneyi gerçekleştirmeden önce, deney prosedüründe belli başlı değişiklikler yapılmıştır. Yapılan bu değişikliklere bağlı olarak üçüncü deneyde elde edilen sonuçların sonlu elemanlar analizleri sonuçlarıyla daha tutarlı olduğu gözlemlenmiştir. Bu çalışmalar sonucunda deneyde elde edilen ölçümlerin, deney sisteminde veya parçalarda bulunan ufak kusurlara ve toleranslara oldukça duyarlı olduğu gözlemlenmiştir.

Dovetail-rim attachment is a critical component of an aeroengine compressor disc. Fretting fatigue is commonly seen in these attachments, which results to premature failures such as cracking or wear. Main cause of the fretting fatigue is high stress gradients occuring near the edges of contact. Since the problem involves contact, the effect of the certain contact parameters on the stress gradients is investigated. These contact stresses are non-singular and can converge to a value with successive mesh refinement. For this purpose, a submodelling procedure is introduced which can provide an accurate solution without the requirement of high computational resource. Submodelling is implemented on two different models and convergence of the peak stresses is observed within about five percent. Hence, three experimental studies are carried out on dovetail-rim attachments. For this purpose, an experimental setup is designed. Comparison of the finite element analysis and the experiment is performed. In the first two experiments, it is seen that the misalignment of the specimens causes asymmetric contact condition in the contact pairs between the disc and the blade parts of dovetail. Therefore, inconsistencies between finite element and experiment are observed. Certain changes are made in the experimental setup for the third experiment. Due to the alterations made, the third experiment gives results more consistent to the finite element. It is concluded that the measurements during the experiment are highly sensitive to the tolerances and imperfections in the experiment of the dovetail specimen.