[發(fā)明專利]一種離心葉輪凸臺(tái)裂紋擴(kuò)展特征模擬件設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810798013.6
• 申請(qǐng)日: 2018-07-19
• 公開（公告）號(hào): CN108763839B
• 公開（公告）日: 2019-11-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡殿印;郭小軍;劉宗曄;崔金鐸;趙淼東;毛建興
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué);中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 安麗;成金玉

1.一種離心葉輪凸臺(tái)裂紋擴(kuò)展特征模擬件設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)獲取離心葉輪的幾何模型，測量離心葉輪凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的過渡圓角半徑、凸臺(tái)向長度；

(2)獲取離心葉輪的工況條件以及工況條件下的材料性能參數(shù)；所述工況條件包括離心葉輪的工作溫度場、離心葉輪的工作轉(zhuǎn)速；所述材料性能參數(shù)包括離心葉輪材料的密度；在工作溫度下的彈性模量、泊松比、塑性本構(gòu)參數(shù)和膨脹系數(shù)，斷裂韌度值；

(3)依據(jù)步驟(1)的幾何模型和步驟(2)的所述工況條件以及工況條件下的材料性能參數(shù)，建立離心葉輪有限元分析模型，計(jì)算獲得離心葉輪凸臺(tái)在工況條件下的的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)；所述應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)包括離心葉輪凸臺(tái)位置拉伸方向最大應(yīng)力點(diǎn)即最大徑向應(yīng)力值，和以離心葉輪凸臺(tái)位置拉伸方向最大應(yīng)力點(diǎn)為起點(diǎn)，沿離心葉輪凸臺(tái)半徑增大方向的徑向應(yīng)力分布；

(4)基于步驟(3)分析得到的離心葉輪凸臺(tái)工況條件下的的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，以矩形平板試件為基本形狀便于進(jìn)行裂紋觀測，以沿模擬件長度方向的單軸拉伸加載為載荷形式，設(shè)計(jì)離心葉輪凸臺(tái)裂紋擴(kuò)展特征模擬件，建立所述模擬件的有限元靜力分析模型，使模擬件的離心葉輪凸臺(tái)沿拉伸加載方向的應(yīng)力值等于步驟(3)中獲取的最大徑向應(yīng)力值；進(jìn)一步的，使沿所述模擬件寬度的應(yīng)力分布情況與步驟(3)中獲得的徑向應(yīng)力分布保持一致；從而完成所述模擬件的尺寸參數(shù)及模擬件單軸拉伸的載荷大小的確定；

(5)確定所述模擬件的厚度，基于步驟(4)中確定的所述模擬件的尺寸以及單軸拉伸的載荷大小，通過應(yīng)力強(qiáng)度因子公式，求得所述模擬件的應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到斷裂韌度值時(shí)對(duì)應(yīng)的臨界裂紋長度，以所述臨界裂紋長度為依據(jù)確定模擬件的厚度，完成所述離心葉輪凸臺(tái)裂紋擴(kuò)展特征模擬件的設(shè)計(jì)工作；

所述步驟(4)中，建立所述模擬件的有限元靜力分析模型為：基于所述模擬件受拉伸方向?yàn)殚L度方向，模擬件的離心葉輪凸臺(tái)的徑向?yàn)閷挾确较颍阅M件的離心葉輪凸臺(tái)的徑向長度為初始徑向長度，以實(shí)際結(jié)構(gòu)的過渡圓角半徑為初始圓角半徑，至少以步驟(3)中獲取的徑向應(yīng)力分布的距離的三倍作為模擬件初始寬度，以模擬件初始寬度的一半作為初始厚度，建立離心葉輪凸臺(tái)裂紋擴(kuò)展特征模擬件的有限元分析模型，通過調(diào)整模擬件的過渡圓角半徑、寬度、凸臺(tái)的徑向長度、改變單軸拉伸載荷大小方法，反復(fù)對(duì)所述模擬件的有限元靜力分析模型進(jìn)行有限元靜力分析，使所述模擬件凸臺(tái)沿拉伸加載方向的最大應(yīng)力值等于步驟(3)中獲得的所述最大徑向應(yīng)力值。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種離心葉輪凸臺(tái)裂紋擴(kuò)展特征模擬件設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述步驟(4)中，所述徑向應(yīng)力分布的誤差范圍為±5％以內(nèi)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種離心葉輪凸臺(tái)裂紋擴(kuò)展特征模擬件設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述步驟(3)中，所述徑向應(yīng)力分布通過測量徑向線上若干點(diǎn)的徑向向應(yīng)力值來獲取。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種離心葉輪凸臺(tái)裂紋擴(kuò)展特征模擬件設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述步驟(5)中，應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算公式如下：

M＝{1.13-0.09(a/c)}+{-0.54+0.89·[0.2+(a/c)]^-1}(a/B)²+{0.5-[0.65+(a/c)]^-1+14(1-a/c)²⁴}(a/B)⁴

Φ²＝1+1.464(a/c)^1.65

其中a為裂紋深度，c為裂紋長度，B為試件厚度，σt為拉伸載荷，π為圓周率，K為應(yīng)力強(qiáng)度因子，無量綱系數(shù)M的取值與計(jì)算點(diǎn)在裂紋前緣上的位置有關(guān)，通過查詢應(yīng)力強(qiáng)度因子手冊(cè)圖表確定。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種離心葉輪凸臺(tái)裂紋擴(kuò)展特征模擬件設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述步驟(5)中，確定模擬件的厚度原則是：模擬件厚度需在臨界裂紋長度的一半以上，以充分涵蓋裂紋在模擬件厚度方向的穩(wěn)定擴(kuò)展過程。