[發(fā)明專利]一種渦輪盤榫槽裂紋擴(kuò)展模擬件設(shè)計(jì)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810808785.3
• 申請(qǐng)日: 2018-07-19
• 公開（公告）號(hào): CN108563917A
• 公開（公告）日: 2018-09-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王榮橋;胡殿印;田騰躍;毛建興;趙淼東
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 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

本發(fā)明涉及一種渦輪盤榫槽裂紋擴(kuò)展模擬件設(shè)計(jì)方法，步驟為：(1)獲取渦輪盤的幾何模型，測(cè)量榫槽的幾何尺寸；(2)獲取榫槽的工況條件以及工況條件下的材料性能參數(shù)；(3)根據(jù)幾何尺寸和載荷條件建立榫槽的有限元分析模型，計(jì)算獲得周向應(yīng)力最大點(diǎn)，獲取周向應(yīng)力值、應(yīng)力梯度以及應(yīng)變；(4)以帶缺口的方形平板試件為基本形狀，以單軸拉伸加載為載荷形式，設(shè)計(jì)榫槽裂紋擴(kuò)展特征模擬件，通過(guò)調(diào)整方形試件寬度、調(diào)整缺口的大小等方法，使缺口處沿拉伸方向的最大應(yīng)力等于實(shí)際榫槽的最大周向應(yīng)力，并保證應(yīng)力梯度、等效應(yīng)變相同；(5)調(diào)整試件厚度計(jì)算模擬件的應(yīng)力強(qiáng)度因子，確定試件的厚度，完成設(shè)計(jì)工作。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是一種針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤榫槽裂紋擴(kuò)展模擬件的設(shè)計(jì)方法，它是一種能夠考慮榫槽結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中、應(yīng)力梯度、應(yīng)變的裂紋擴(kuò)展模擬件設(shè)計(jì)方法，屬于航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)中渦輪盤榫槽的復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征往往會(huì)在局部區(qū)域造成應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋遠(yuǎn)端載荷沿裂紋擴(kuò)展路徑呈非均勻分布。由于基于標(biāo)準(zhǔn)件的裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，不能體現(xiàn)局部區(qū)域的應(yīng)力集中，一般采用離散裂紋擴(kuò)展步長(zhǎng)的方式，在每個(gè)裂紋擴(kuò)展增量上將載荷近似為均布載荷，當(dāng)裂紋擴(kuò)展增量減小到一定程度時(shí)，可獲得較為接近的裂紋擴(kuò)展規(guī)律。然而，由于局部應(yīng)力集中越明顯(局部應(yīng)力梯度越大)，這種近似方法的偏差越大，因此，需要設(shè)計(jì)特征結(jié)構(gòu)模擬件并開展裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬局部應(yīng)力集中，獲得相應(yīng)裂紋擴(kuò)展規(guī)律。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明技術(shù)解決方案：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種渦輪盤榫槽結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展特征模擬件設(shè)計(jì)方法，能夠充分地反映離心葉輪中心孔部位的應(yīng)力集中、應(yīng)力、應(yīng)變梯度，充分反應(yīng)渦輪盤榫槽裂紋擴(kuò)展規(guī)律特性，服務(wù)與支撐航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤榫槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

本發(fā)明技術(shù)解決方案：一種渦輪盤榫槽裂紋擴(kuò)展模擬件設(shè)計(jì)方法，結(jié)合渦輪盤榫槽靜力分析結(jié)果，設(shè)計(jì)能夠反映特征結(jié)構(gòu)的裂紋擴(kuò)展模擬件，實(shí)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬真實(shí)結(jié)構(gòu)的裂紋擴(kuò)展行為，實(shí)現(xiàn)步驟如下：

第一步，獲取渦輪盤榫槽的幾何模型，測(cè)量榫槽結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，榫槽結(jié)構(gòu)的幾何尺寸主要包括榫頭軸向長(zhǎng)度、拉削角、楔形角、榫頭最小頸寬、伸根頸寬軸向?qū)挾取㈤静鄣闹芟驅(qū)挾入S徑向位置的變化、弧線長(zhǎng)度，所述幾何模型指借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，按照實(shí)際工程需求設(shè)計(jì)完成的離心葉輪三維幾何模型；

第二步，獲取渦輪盤榫槽結(jié)構(gòu)的工況條件以及工況條件下的材料性能參數(shù)；所述工況條件包括渦輪盤的工作轉(zhuǎn)速，渦輪盤的溫度場(chǎng)；所述材料性能參數(shù)包括渦輪盤榫槽材料的密度；在工作溫度下的彈性模量、泊松比、塑性本構(gòu)參數(shù)、膨脹系數(shù)和斷裂韌度值；

第三步，依據(jù)第一步的幾何模型和第二步的工況、材料數(shù)據(jù)，建立渦輪盤榫槽有限元靜力分析模型，計(jì)算獲得渦輪盤榫槽在工作狀態(tài)下的危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力數(shù)據(jù)、應(yīng)變數(shù)據(jù)。

第四步，基于第三步得到的渦輪盤榫槽結(jié)構(gòu)在工況條件下的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，以帶缺口的方形試件為基本形狀，以單軸拉伸加載為基本載荷形式，設(shè)計(jì)渦輪盤榫槽結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展模擬件，并建立模擬件的有限元靜力分析模型，對(duì)所述模型進(jìn)行有限元靜力分析。通過(guò)調(diào)整方形尺寸使模擬件應(yīng)力集中處即缺口處應(yīng)力應(yīng)變與實(shí)際渦輪盤榫槽危險(xiǎn)點(diǎn)相同。

第五步，計(jì)算模擬件的應(yīng)力強(qiáng)度因子表達(dá)式，改變所述模擬件的厚度，進(jìn)而改變應(yīng)力強(qiáng)度因子，確定所述模擬件的厚度；至此，完成所述渦輪盤榫槽裂紋擴(kuò)展模擬件的設(shè)計(jì)工作。

所述應(yīng)力強(qiáng)度因子為描述含裂紋結(jié)構(gòu)的裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)弱的參量，其數(shù)值大小是外加載荷、裂紋長(zhǎng)度以及結(jié)構(gòu)幾何形狀的函數(shù)。應(yīng)力強(qiáng)度因子的數(shù)值可通過(guò)有限元數(shù)值計(jì)算或應(yīng)力強(qiáng)度因子經(jīng)驗(yàn)公式求得。當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子值大于等于材料的斷裂韌度值時(shí)，認(rèn)為含裂紋結(jié)構(gòu)將失穩(wěn)斷裂。確定厚度的原則是模擬件厚度需在臨界裂紋長(zhǎng)度的一半以上，以充分涵蓋裂紋在厚度方向的穩(wěn)定擴(kuò)展過(guò)程；同時(shí)確定厚度之后，模擬件所需的外載荷要在所用試驗(yàn)機(jī)的加載能力以內(nèi)。至此，完成渦輪盤榫槽結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展特征模擬件設(shè)計(jì)工作。所設(shè)計(jì)模擬件能夠模擬渦輪盤榫槽結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，并可用于開展裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)。