[發明專利]基于梁理論的渦輪葉片非線性蠕變分析方法

有效

• 申請號: 201611018355.9
• 申請日: 2016-11-18
• 公開（公告）號: CN106777479B
• 公開（公告）日: 2020-04-21
• 發明（設計）人: 成曉鳴;郭飛躍;章勝;張勇;吳立強;胡錦文
• 申請（專利權）人: 中國航空動力機械研究所
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17
• 代理公司: 長沙智嶸專利代理事務所(普通合伙) 43211
• 代理人: 劉宏

本發明公開了一種基于梁理論的渦輪葉片非線性蠕變分析方法，包括以下步驟：a、確定渦輪葉片工作范圍內的多個溫度下的材料蠕變參數；b、將渦輪葉片的工作時間分成多個時間步；c、選取渦輪葉片的多個截面并劃分網格；d、基于梁理論，獲取各個時間步葉片蠕變和蠕變松弛后的應力及持久損傷；e、獲取葉片蠕變伸長及蠕變持久損傷。考慮了渦輪葉片蠕變的主要因素，獲取便捷、精度可滿足工程實用要求，獲取效率提高數百倍，適用于多方案葉片對比分析、全壽命葉片蠕變分析及渦輪葉片在線壽命監控，工程實用性更好。對多型發動渦輪葉片蠕變伸長和持久壽命進行了分析校驗，發動機長試結果表明，獲取的數據精度可滿足工程實用要求。

技術領域

本發明涉及航空發動機渦輪葉片檢測校驗技術領域，特別地，涉及一種基于梁理論的渦輪葉片非線性蠕變分析方法。

背景技術

渦輪葉片是發動機中工作環境最惡劣的零件，渦輪葉片蠕變變形及蠕變持久斷裂是渦輪葉片失效的重要模式，渦輪葉片蠕變分析是發動機設計及外場監控的重要內容。蠕變是一種隨時間增長的非線性變形，葉片蠕變與工作溫度、應力水平及持續時間相關。

現有葉片蠕變分析一般采用通用的三維有限元方法，在本構方程中考慮蠕變，通過材料蠕變參數及離散化的結構剛度并施加相應的邊界條件來模擬結構的蠕變。三維有限元蠕變分析耗時長、效率低，難以適應多方案、多工況、長壽命葉片設計分析及葉片使用壽命監控的需求。

發明內容

本發明提供了一種基于梁理論的渦輪葉片非線性蠕變分析方法，以解決現有三維有限元蠕變分析耗時長、效率低，難以適應多方案、多工況、長壽命葉片設計分析及葉片壽命實時監控的技術問題。

本發明提供一種基于梁理論的渦輪葉片非線性蠕變分析方法，包括以下步驟：a、確定渦輪葉片工作范圍內的多個溫度下的材料蠕變參數；b、將渦輪葉片的工作時間分成多個時間步；c、選取渦輪葉片的多個截面并劃分網格；d、基于梁理論，獲取各個時間步葉片蠕變和蠕變松弛后的應力及持久損傷；e、獲取葉片蠕變伸長及蠕變持久損傷。

進一步地，步驟a的具體實施步驟為：確定葉片工作溫度范圍內至少三個溫度下的材料蠕變方程參數，特定溫度下的材料蠕變方程為

ε^c＝Aσ^mt^p

其中，A為常數、m為應力指數、p為溫度指數，A、m、p由材料蠕變試驗曲線而定，ε^c為蠕變應變，σ為應力，t為時間；根據多個溫度下的蠕變試驗可以得到不同溫度下的蠕變方程；在材料蠕變試驗數據有限的情況下，根據離散的材料蠕變極限構造蠕變試驗曲線。

進一步地，步驟c的具體實施步驟為：沿渦輪葉片的葉身截取徑向截面，并沿葉身的軸向截取多個徑向截面；將每個徑向截面劃分成多個由三角形網格單元構成的截面網格；相鄰三角形網格單元交接之間形成節點。

進一步地，步驟d的具體實施步驟為：根據徑向截面平面假設，采用梁理論和數值方法獲取渦輪葉片初始時刻在徑向截面各節點位置的拉伸和彎曲應力；在假設平面上選取節點j點，初始時刻應力為σ_j(0)，在經過第1個時間段Δ₁t后，假定在此時間段中j點均承受σ_j(0)應力的作用，根據材料的蠕變方程，獲取Δ₁t時刻的蠕變應變增量根據徑向截面平面假設，考慮蠕變應變增量采取數值方法獲取j點總應變增量Δ₁ε_j。

進一步地，j點Δ₁t時刻的應力增量為：

其中，E_j為j點的彈性模量；

j點Δ₁t時刻的應力為：