燃气轮机与航空发动机的设计优化、寿命考核与检修维护越来越多地用到损伤容限方法,将结构中的裂纹作为研究对象,量化裂纹扩展寿命,在满足可靠性要求的前提下充分利用潜在的剩余寿命,是一种具有潜力的解决燃气轮机与航空发动机研制瓶颈的关键技术。本文针对目前三维裂纹扩展模拟技术和理论方法存在的问题,采用理论分析、数值模拟相结合的研究方法,基于弯折裂纹理论模型建立应力强度因子估算表达式,发展三维裂纹参数化建模、扩展模拟方法,并将上述研究成果应用于某涡轮盘的裂纹扩展行为研究,探索关键部位的裂纹尺寸与轮盘剩余寿命的联系。上述研究对于航空发动机轮盘损伤容限设计及延寿具有重要的理论意义和工程应用价值。本文主要的研究内容如下:(1)基于ANSYS平台及其APDL参数化设计语言,结合Matlab平台,发展一种基于有限元法的三维裂纹参数化自动建模与裂纹扩展模拟技术。该技术以镶嵌裂纹体的方式在结构中插入裂纹,通过裂纹扩展参量计算结果自动更新裂纹体,从而模拟裂纹扩展过程,实现裂纹参数化建模和自动扩展分析,为分析复杂结构损伤容限提供技术平台。(2)在裂纹扩展模拟中裂纹前沿局部位置可视为二维弯折裂纹,因此,可通过对二维弯折裂纹的理论研究,分析三维裂纹应力强度因子随裂纹扩展的变化规律。分别从平面和反平面问题开展基于二维弯折裂纹的理论模型研究,通过考虑裂纹尖端应力场级数中高阶项系数的影响,对弯折裂纹应力强度因子估算理论公式进行修正,提高其精度及适用范围。(3)以本文弯折裂纹的理论研究成果为基础,针对常规方法中计算裂纹扩展量忽略裂纹扩展长度和弯折角度的处理方式进行改进,采用根据弯折裂纹估算的应力强度因子结果代替原来直接采用上一扩展步的结果,建立改进的扩展量计算方法。并通过对自由表面附近模拟结果的处理,结合改进的扩展量计算方法,对常规的裂纹扩展模拟方法进行了改进。验证结果表明裂纹扩展模拟算例与文献中试验结果较为符合,相比常规方法计算精度更高。(4)根据某型燃气轮机涡轮盘的静强度分析结果,将螺栓孔与中心孔的高应力区作为裂纹扩展考核部位,应用本文发展的三维裂纹参数化建模及扩展模拟方法,对某燃气轮机涡轮盘的裂纹扩展行为及裂纹扩展寿命进行研究,分析关键部位的裂纹尺寸与轮盘剩余寿命的联系。分析结果表明本文提出的三维裂纹扩展模拟方法能够为涡轮盘等复杂结构的损伤容限分析提供可行的解决方案。