[發明專利]一種渦輪榫接結構抗微動疲勞損傷優化方法

在審

• 申請號: 202010640536.5
• 申請日: 2020-07-06
• 公開（公告）號: CN111859561A
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發明（設計）人: 張宏建;嚴小冬;崔海濤;溫衛東
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23;G06F111/04;G06F119/14;G06F119/02
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 韓天宇

本發明公開了一種渦輪榫接結構抗微動疲勞損傷優化方法，所述渦輪榫接結構包括相互嚙合的渦輪榫頭和渦輪榫槽。本發明通過對航空發動機渦輪樅樹形榫連接結構進行簡化，建立單齒榫接結構參數化有限元模型；對單齒榫接結構形狀尺寸進行敏度分析，確定對微動疲勞壽命影響最大的幾個參數；以這些參數為設計變量，以微動疲勞壽命為目標函數，采用多島遺傳優化算法，設計出最優尺寸。本發明能夠讓渦輪榫接結構微動疲勞壽命提升，為航空發動機渦輪榫頭與榫槽的結構設計提供參考。

技術領域

本發明涉及航空發動機渦輪榫接結構設計領域，尤其涉及一種渦輪榫接結構抗微動疲勞損傷優化方法。

背景技術

微動疲勞是指在循環載荷作用下，兩個相互接觸的表面之間具有接觸載荷，并同時發生微小相對滑動而產生復雜磨損作用，使結構的疲勞壽命明顯降低，加速失效破壞過程的物理現象。

在航空發動機上，有高達20％的故障是由榫連接結構失效破壞導致的，而微動疲勞是榫連接結構失效破壞的主要原因之一。由于微動是構件在實際應用中不可避免的，而微動疲勞的損害又是不易察覺的，其后果極其嚴重，所以微動疲勞的問題既具有普遍性和隱蔽性，同時又是致命性的。

在上述背景下，對榫連接結構進行優化設計以提高其使用壽命顯得尤為重要。在傳統的渦輪榫連接結構設計中，通常只關注應力大小，沒有考慮到微動損傷的作用，本優化方法以提高微動疲勞壽命為目標，對渦輪榫接結構進行改進，可以極大地延長其使用壽命。

發明內容

本發明的目的是提供一種渦輪榫接結構的優化方法，提高結構的微動疲勞壽命。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種渦輪榫接結構抗微動疲勞優化方法，所述渦輪榫接結構包括相互嚙合的渦輪榫頭和渦輪榫槽，其特征在于，包含如下步驟：

步驟1)，對渦輪榫接結構形狀尺寸進行分析，得到以下獨立參數建立渦輪榫接結構參數化有限元模型：渦輪榫頭和渦輪榫槽的頂角wedge_angle、渦輪榫頭榫齒傾角chamfer_angle、渦輪榫頭底面至頸部的高度H、渦輪榫頭T線位置至頸部的高度H1、渦輪榫頭的榫齒高度H3、渦輪榫頭在其T線位置處的寬度W1、渦輪榫頭接觸面和渦輪榫頭頸部豎直線之間的過渡圓角R_r1、渦輪榫頭接觸面下端的過渡圓角R_r2、渦輪榫頭底面兩端的過渡圓角R_r3、渦輪榫槽上端面和靠近接觸面的豎直線之間的過渡圓角G_r0、渦輪榫槽接觸過渡圓角G_r1、渦輪榫頭底面和渦輪榫槽底面之間的距離h；

步驟2)，對各個獨立參數進行靈敏度分析，確定它們對于微動疲勞壽命的影響程度；

步驟3)，選定對微動疲勞壽命影響最為顯著的5個參數為優化設計變量，以微動疲勞壽命為優化目標，以最大拉應力不超過許用拉應力、最大等效應力不超過許用等效應力、最大剪應力不超過許用剪應力、最大擠壓應力不超過許用擠壓應力為約束條件，利用多島遺傳優化算法和基于臨界平面法的微動疲勞壽命預測模型進行優化計算；

步驟4)，進行結果校核，確定微動疲勞壽命最長時的結構尺寸。

作為本發明一種渦輪榫接結構抗微動損傷優化方法進一步的優化步驟，所述步驟3)中優化算法的迭代次數不少于100次。

本發明與現有技術相比，其有益效果為：

1.在滿足強度要求的前提下，提高了渦輪榫接結構的微動疲勞壽命，從而降低了航空發動機維修成本；

2.以單齒模型模擬渦輪樅樹形雙齒或三齒榫接結構的應力分布和滑移幅值分布，極大地提高了優化計算效率。

附圖說明

圖1是渦輪榫接結構優化設計流程圖；

圖2是獨立參數幾何關系圖；

圖3是靈敏度分析的Pareto圖；