[發(fā)明專利]一種渦輪盤冷擠壓強(qiáng)化孔結(jié)構(gòu)的高低周復(fù)合疲勞試驗件及設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010885679.2
• 申請日: 2020-08-28
• 公開（公告）號: CN112100765B
• 公開（公告）日: 2022-08-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡殿印;王榮橋;鄢林;毛建興
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23;G06F119/14;G06F119/04
• 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;賈玉忠

1.一種渦輪盤冷擠壓強(qiáng)化孔結(jié)構(gòu)的高低周復(fù)合疲勞試驗件，其特征在于：所述試驗件整體為一平板式試驗件，按各部分功能劃分為三段，中間部分是由帶孔的等厚平板組成的試驗件考核部位，兩端則是各自由兩對斜面組成的雙楔形夾持端；

所述雙楔形夾持端，由兩對斜面組成，斜面與等厚平板表面的法向所成外角范圍為大于90°且小于等于110°；

所述帶孔的等厚平板中的孔為圓孔，直徑范圍為5-15mm，由實際結(jié)構(gòu)和孔擠壓工藝確定；平板的厚度范圍為1.5-4mm；

所述試驗件考核部位與雙楔形夾持端的長度比例范圍為1.5-2.5；孔邊緣距側(cè)邊的距離應(yīng)大于1.5倍孔半徑。

2.一種渦輪盤冷擠壓強(qiáng)化孔結(jié)構(gòu)的高低周復(fù)合疲勞試驗件設(shè)計方法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)獲取帶孔結(jié)構(gòu)渦輪盤的幾何模型，并針對所關(guān)注的孔結(jié)構(gòu)部位和渦輪盤緣復(fù)雜的榫槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何模型的簡化；

(2)獲取步驟(1)所述帶孔渦輪盤的工況條件以及工況條件下的材料性能參數(shù)；

(3)基于步驟(1)的幾何模型和步驟(2)的材料性能參數(shù)，建立簡化后的帶孔渦輪盤有限元模型，首先進(jìn)行渦輪盤孔結(jié)構(gòu)冷擠壓工藝過程的有限元模擬，獲得冷擠壓后孔結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力沿孔深度和徑向的分布數(shù)據(jù)，然后在考慮殘余應(yīng)力的情況下，進(jìn)行渦輪盤孔結(jié)構(gòu)有限元靜力分析，獲得渦輪盤孔結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下危險點沿危險路徑的等效應(yīng)力分布數(shù)據(jù)；

(4)基于步驟(3)得到的孔結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力沿孔深度和徑向的分布數(shù)據(jù)和在工作狀態(tài)下危險點沿危險路徑的等效應(yīng)力分布數(shù)據(jù)，以帶孔的等厚平板為基本形狀，設(shè)計渦輪盤孔結(jié)構(gòu)試驗件的考核部位，建立試驗件的考核部位的有限元模型，首先進(jìn)行冷擠壓工藝有限元模擬，調(diào)整考核部位的厚度、寬度和長度，保證擠壓后殘余應(yīng)力分布與步驟(3)中渦輪盤孔結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力分布一致，同時確定考核部位的最小寬度和最小長度，然后以沿試驗件長度方向的單軸拉伸加載為基本載荷形式，在引入殘余應(yīng)力下進(jìn)行有限元靜力分析，再次調(diào)整試驗件寬度，微調(diào)拉伸載荷大小，使試驗件孔邊應(yīng)力在影響試驗件壽命的臨界距離內(nèi)的等效應(yīng)力分布與步驟(3)中所獲得的沿危險路徑的等效應(yīng)力分布數(shù)據(jù)一致，由此確定試驗件初步構(gòu)型和拉伸載荷，實現(xiàn)試驗件對真實渦輪盤孔結(jié)構(gòu)低周載荷的模擬；

(5)在步驟(4)所確定的試驗件初步構(gòu)型和載荷的基礎(chǔ)上，施加垂直于平板平面的高周激振力，計算孔邊振動響應(yīng)值，調(diào)整考核部位的長度、激振力的頻率和大小，使得孔邊最大振動應(yīng)力值等于真實輪盤孔結(jié)構(gòu)的最大振動應(yīng)力值，試驗件對真實渦輪盤孔結(jié)構(gòu)高周載荷的模擬，同時保證上述低、高載荷均在高低周復(fù)合疲勞試驗設(shè)備的工作范圍內(nèi)，否則，調(diào)整拉伸外載應(yīng)力，重復(fù)步驟(4)，由此確定試驗件考核部位的基本尺寸；

(6)在步驟(5)所確定的考核部位基礎(chǔ)上，設(shè)計試驗件的雙楔形夾持端，調(diào)整楔形面角度、過渡圓弧大小和夾持端高度，以保證夾持端低應(yīng)力水平以及過渡段低應(yīng)力集中程度，最終得到渦輪盤冷擠壓強(qiáng)化孔結(jié)構(gòu)的高低周復(fù)合疲勞試驗件。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種渦輪盤冷擠壓強(qiáng)化孔結(jié)構(gòu)的高低周復(fù)合疲勞試驗件設(shè)計方法，其特征在于：所述步驟(1)，進(jìn)行幾何模型的簡化，簡化方法為取整個渦輪盤的周期對稱結(jié)構(gòu)，且只保留孔結(jié)構(gòu)附近以及旋轉(zhuǎn)半徑大于孔特征旋轉(zhuǎn)半徑處的結(jié)構(gòu)，位于渦輪盤外緣復(fù)雜的榫槽結(jié)構(gòu)，采用等質(zhì)量塊代替。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種渦輪盤冷擠壓強(qiáng)化孔結(jié)構(gòu)的高低周復(fù)合疲勞試驗件設(shè)計方法，其特征在于：所述步驟(2)，渦輪盤材料為鎳基高溫合金GH4169，材料性能參數(shù)為含有材料彈性和塑性變形階段的全應(yīng)力應(yīng)變曲線以及線膨脹系數(shù)。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種渦輪盤冷擠壓強(qiáng)化孔結(jié)構(gòu)的高低周復(fù)合疲勞試驗件設(shè)計方法，其特征在于：所述步驟(3)，危險路徑的選取為以渦輪盤孔結(jié)構(gòu)危險點為起點，沿應(yīng)力集中區(qū)域最長弦長方向，至少取5個數(shù)據(jù)點,記錄各點的等效應(yīng)力數(shù)值。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種渦輪盤冷擠壓強(qiáng)化孔結(jié)構(gòu)的高低周復(fù)合疲勞試驗件設(shè)計方法，其特征在于：所述步驟(3)中，冷擠壓工藝過程的有限元模擬為顯示動力學(xué)分析，采用3種擠壓過盈量0.1mm、0.15mm和0.2mm。