Stress and Lifetime Analysis of Dovetail Attachment with Varied Geometric Parameters = 다양한 기하 매개 변수에 대한 도브테일 결합부의 응력 및 피로 수명 해석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper presents a detailed computational analysis of an imitation model of compressor disk for an aero gas turbine engine (GTE), investigating the influence of three geometric parameters, flank angle, flank height, and neck width on its structural integrity. The study utilizes a 3D finite element method (FEM), under uniaxial loading conditions to simulate the operational stress distribution of the original compressor disk. The methodology included both static stress analysis and an iterative fatigue crack growth (FCG), automated via Python integrated module that utilizes three primary software tools: ANSYS Mechanical, APDL, and FRANC3D.
The results indicate that flank angle is the dominant geometric factor that significantly affects the maximum Von Mises stress value and its corresponding critical region in the disk, whereas variations in flank height and neck width are insufficient to cause change. The contrast between two crack initiation sites – fillet radius of dovetail base groove and contact edge between disk and blade – revealed distinct FCG behaviors driven by different fatigue failure mechanisms. Low-cycle fatigue (LCF) at the fillet radius resulted in Mode I dominant crack growth, while crack initiation at the contact surface led to shear dominant growth due to fretting fatigue. This study establishes the geometric sensitivity of dovetail, concluding that flank angle governs the failure mechanism transition.

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 항공 가스 터빈 엔진(GTE) 압축기 디스크 모사 모델에 대한 수치 해석을 통해, 도브테일(dovetail)의 플랭크 각도(flank angle), 높이(flank height), 그리고 목 너비(neck width)의 세 가지 기하학적 매개 변수가 구조적 안정성 및 피로 수명에 미치는 영향을 조사하였다. 본 연구는 실제 압축기 디스크의 응력 분포를 재현하기 위해 단축 하중 조건을 적용한 모델에 대해 3차원 유한 요소법(FEM)을 활용하였다. 연구 방법론적으로 ANSYS Mechanical, APDL, FRANC3D의 세 가지 주요 소프트웨어 도구를 이용한 파이썬(Python) 통합 모듈을 구축하여 자동화된 정적 응력 및 피로 균열 성장(FCG) 해석을 진행하였다.
정적 응력 해석 결과, 도브테일의 플랭크 각도는 디스크 내 최대 본 미세스(Von-Mises) 응력의 크기와 위치에 모두 유의미한 영향을 미치는 반면, 플랭크 높이와 목 너비의 영향은 미미한 것으로 확인되었다. 최대 본 미세스 응력 지점이자 잠재적 균열 발생 지점인 도브테일의 하단 필렛 반경과 디스크-블레이드 간 접촉면을 비교 분석한 결과, 서로 다른 피로 파괴 기전에 의해 상이한 균열 진전 거동이 나타났다. 필렛 반경에서 발생한 저주기 피로(LCF) 균열은 Mode I 지배적인 진전 양상을 보인 반면, 접촉면에서 발생한 마찰 피로(fretting fatigue) 균열은 전단 지배적(shear-dominant) 균열 진전으로 이어졌다.
본 논문에서는 도브테일 접합부의 기하학적 매개 변수에 따른 디스크의 구조적 건정성에 대한 해석을 진행하였으며, 플랭크 각도가 균열 진전 기전의 전이를 결정 짓는 핵심 변수임을 입증하였다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents ii
• List of Tables iii
• List of Figures iv
• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. Material and Methods 5
• 2.1. Computational Model Definition 5
• 2.2. Material Properties 6
• 2.3. Finite Element Analysis (FEA) Setup 7
• Chapter 3. Results and Discussion 13
• 3.1. Static Stress Analysis 13
• 3.2. Fatigue Crack Growth Analysis 18
• 3.3. Discussion 24
• Chapter 4. Conclusion 26
• Bibliography 27
• 국문 초록 30