CN107084844A - 一种叶片结构模拟件的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种叶片结构模拟件的试验方法，基于损伤部位形状相同、应力及应力分布相同或近似的原则进行叶片叶身模拟件的设计，可以有效反映叶片工作过程中危险部位的应力状态。在模拟试验件上施加叶片危险截面处载荷、温度，进行疲劳、蠕变以及交互作用寿命试验，可以精确确定叶片服役寿命和揭示其损伤失效机理。

Description

一种叶片结构模拟件的试验方法

技术领域

本发明涉及一种叶片结构模拟件的试验方法，可用于航空发动机、燃气轮机、汽轮机等叶片结构疲劳寿命、持久寿命等的测试。

背景技术

航空发动机、地面燃气轮机、汽轮机等叶轮机械需经历启动、运转和停车等过程，在离心载荷、热载荷、气动载荷的共同作用下，结构容易发生高周疲劳损伤、低周疲劳损伤、蠕变损伤以及交互作用损伤破坏。据美国军用飞机的统计表明，航空发动机事故中90％以上是由于零部件强度和疲劳破坏导致的。作为叶轮机械的核心零部件，压气机叶片、涡轮叶片是叶轮机械中工作环境最为恶劣的结构之一，更容易发生损伤破坏，因此准确预测压气机叶片、涡轮叶片(包括导向叶片和工作叶片)的工作寿命，对于航空发动机、燃气轮机等叶轮机械的设计具有重要意义。

由于开展压气机叶片、涡轮叶片寿命试验手段相对较少、成本相对较高，因此通常先利用材料寿命试验(GB/T 2039-1997金属拉伸蠕变及持久试验方法等)获取基础数据，采用带切口的圆棒、平板模拟件，以及薄壁圆管模拟件试验来推测叶片实际服役寿命。虽然带切口的圆棒、平板模拟件，薄壁圆管模拟件一定程度上反应了服役过程中叶片所处的复杂/多轴应力状态，但是由于与实际应力状态差别较大，基于现有模拟件试验开展的叶片设计往往导致装机事故频发，严重影响了航空发动机等叶轮机械的研制和安全服役。因此需要发展一种能够精确模拟航空发动机等叶轮机械压气机、涡轮叶片服役状态的试验方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为解决上述问题，本发明发展了一种叶片结构模拟件的试验方法，基于损伤部位形状相同、应力及应力分布相同或近似的原则进行叶片叶身模拟件的设计，可以有效反映叶片工作过程中危险部位的应力状态。在模拟试验件上施加叶片危险截面处载荷、温度，进行疲劳、蠕变以及交互作用寿命试验，可以精确确定叶片服役寿命和揭示其损伤失效机理。

本发明的技术方案是：

一种叶片结构模拟件的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：对叶片进行流-热-固耦合分析，获取服役状态下叶片的温度场和应力场；

步骤二：确定叶片危险部位：基于步骤一所获得的温度场和应力场，参考发动机使用中叶片裂纹部位及故障情况，确定叶片容易发生破坏的危险部位；

步骤三：确定叶片模拟件，分为以下子步骤：

子步骤一：由上述步骤二中获得的叶片危险部位，以叶片危险部位为基础,沿叶片展向分别向叶尖和叶根方向延伸，延伸的末端分别设为上截面a和下截面b，使上截面a和下截面b之间部分能够包含叶片危险部位，作为模拟件试验段；

子步骤二：分别以上截面a和下截面b为基准，分别向叶尖和叶根方向扩展至截面c、截面d，形成试验过渡段3、4；

子步骤三：在截面c、截面d上，沿叶片展向延伸形成平台与夹持段，用于连接试验机；

子步骤四：在有限元计算软件中施加载荷于模拟试验件夹持段上，对模拟试验件加持段进行强度分析，通过调整截面c、d之间的偏移量和加载载荷大小，使模拟件试验段应力和步骤二中力得到的叶片危险部位应力大小、分布一致或相似，危险部位应力集中处应力差距在2％以内；

步骤四：进行模拟件试验件加工，开展模拟件服役环境下的寿命试验，进行数据处理获得模拟件平均寿命以及寿命的置信区间；模拟件断裂后，结合宏观端口分析、微观断口分析，分析裂纹萌生部位、扩展情况，确定断裂模式；结合不同试验阶段的微观组织演化分析，揭示叶片的损伤失效机理。

发明效果

本发明的技术效果在于：以往常常通过材料级、缺口模拟件级以及整机挂片试验进行压气机、涡轮叶片等寿命评估。材料级试验可以为叶片寿命的理论预测提供基础数据，依据叶片危险部位最大应力、应力集中系数设计的缺口模拟件虽然一定程度上反映了叶片多轴应力状态，但是与叶片真实复杂应力状态差别较大，试验结果不能准确反映叶片服役寿命；整机挂片试验基本反映了叶片的真实工作状态，但是成本较高，并且整机试车时叶片一旦出现故障往往导致灾难性事故发生，不适合应用于叶片的设计和寿命评估环节。本发明提出的叶片结构模拟件试验方法，采用与叶片危险部位相同的结构、载荷、温度，模拟件的应力状态、环境温度与叶片服役状态基本一致，以本专利提出的叶片结构模拟件试验方法可以准确预测叶片的工作寿命和揭示其损伤失效机理。

附图说明

附图标记说明：

图1为叶片结构模拟件设计、试验流程；

图2为一种涡轮叶片；

图3为流-热-固耦合分析得到的叶片应力场；

图4为根据叶片危险部位设计的模拟件试验段、过渡段；

图5为叶片结构模拟件。

图中：1.叶片危险部位，2.试验段，3.上过渡段，4.下过渡段，5.上平台，6.上加持段，7.下平台，8.下加持段，a.危险部位上截面，b.危险部位下截面，c.过渡段上截面，d.过渡段下截面。

具体实施方式

本发明的技术方案包括以下步骤：

步骤1：分析叶片温度场和应力场：通过流-热-固耦合分析，获取服役状态下叶片的温度场和应力场；

步骤2：将步骤1数值计算结果和实际故障相结合确定叶片危险部位：针对叶片服役工况，基于寿命预测模型进行叶片的损伤失效分析，参考发动机使用中叶片裂纹部位及故障情况，确定叶片容易发生破坏的危险部位1；

步骤3：叶片模拟件设计：分别设计模拟件的试验段2、过渡段3、4和试验机连接的加持段5、6、7、8，保证考核部位的应变、温度条件和实际运行条件下的相同或接近，危险部位应力集中处应力差距在2％以内；

步骤4：叶片模拟件试验方案设计：利用多场耦合分析获取服役工况下叶片危险部位承受载荷，基于损伤等效的原则转化为模拟件的试验载荷谱；通过多场耦合分析或实际测量，获取叶片危险部位环境温度；

步骤5：进行叶片模拟件试验：基于疲劳、蠕变等试验机，设计与叶片模拟件加持段相连接试验夹具，开展叶片模拟件寿命试验，实施监测裂纹萌生、叶片伸长等；

步骤6：确定叶片寿命和损伤失效机理：平均多次模拟件试验寿命，确定分散性系数，获取置信区间内的叶片试验寿命；开展模拟件断口分析，分析微观组织演化规律、断裂模式、裂纹萌生和扩展等，揭示叶片损伤失效机理。

进一步地，一种叶片结构模拟件的试验方法，通过相同或形状相似的模拟件试验段设计，模拟叶片危险部位的服役状态。

进一步地，叶片结构模拟件设计包括如下分步骤：

步骤31：针对叶片流-热-固耦合分析获得的叶片危险部位，以叶片危险部位为基础,沿叶片展向分别向叶尖和叶根方向延伸得到危险部位上截面a和下截面b，使上截面a和下截面b之间部分包含叶片危险部位，作为模拟件试验段；

步骤32：为了设计之后的平台和夹持段，分别以上截面a和下截面b为基准，向上和向下扩展至截面c、截面d，形成试验过渡段3、4；

步骤33：在截面c、截面d上设置平台5、7，在平台5、7上布置夹持段6、8，用于连接试验机；

步骤34：在叶片流-热-固耦合分析基础上，获取叶片危险部位1处的载荷大小和作用位置；将载荷施加于模拟试验件进行强度分析，通过调整截面c、d使得模拟件试验段和叶片危险部位应力大小、分布一致或相似，危险部位应力集中处应力差距在2％以内；

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。需要说明的是，以下所描述的具体实施案例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施案例针对一种涡轮叶片进行了叶身模拟件的设计，具体包括如下步骤：

步骤1：对于图2所示涡轮叶片，在NUMECA中划分流体网格，根据叶片工况选择湍流模型、工质、施加进出口边界条件，进行涡轮叶片流场分析。在Abaqus中划分结构分析网格，定义材料，施加载荷与边界边界条件，以涡轮叶片表面为气动和结构的耦合截面，将耦合截面上气动分析得到压强与温度数据插值传递给结构分析模型，实现涡轮叶片的流-热-固耦合分析，获得叶片温度场和应力场。图2为流-热-固耦合分析得到的叶片应力场。

步骤2：应力场中叶片叶身应力最大位置在叶根前缘处，结合叶片实际工作中破坏部位多在叶片叶根处，确定叶片叶根位置为叶片危险部位。由叶片危险部位向上延伸2.16mm至危险部位上截面a，向下延伸14.67mm至危险部位下截面b。确定上截面a和下截面b之间部分作为模拟件试验段2。使用布尔运算命令移除叶片模拟件试验段2外部分，该部分结构不作为叶片模拟部位。

步骤3：使用三维建模软件UG的拉出面命令将截面b沿截面法线方向向下拉伸3.2mm，生成模拟件过渡段4。在生成的新截面上创建基准平面。确定模拟件试验段2重心，投影到该平面上。以投影点为中心创建50mm×50mm矩形草图，沿法线方向拉伸12.5mm生成平台7。在平台7下表面处投影模拟件试验段2重心，并以该投影点为圆心，半径为10mm创建圆形草图，沿法线方向拉伸70mm，生成夹持段8。

步骤4：使用三维建模软件UG投影曲线命令沿叶片尾缘棱线方向将截面a处叶片型线投影至截面c处。使用偏置曲线命令将投影后的叶片型线偏置0.8mm。利用截面a处叶片型线和偏置曲线，通过通过曲面组和缝合命令构造实体，生成模拟件过渡段3。投影模拟件试验段2重心到截面c，以投影点为中心创建50mm×50mm矩形草图，沿法线方向拉伸12.5mm生成平台5。在平台5上表面处投影模拟件试验段2重心，并以投影点为圆心，半径为10mm创建圆形草图，沿法线方向拉伸70mm，生成夹持段6。

步骤5：为避免叶片模拟件夹持段与平台，平台与过渡段过渡边处产生过大的应力集中，在平台7与夹持段8过渡边，平台5与夹持段6过渡边处倒圆角，圆角半径5mm；在平台7与下过渡段4过渡边处倒圆角，圆角半径3.2mm；在平台5与上过渡段3过渡边处倒圆角，圆角半径10mm。

步骤6：根据叶片流-热-固耦合分析得到的叶片应力场分布情况，在叶片危险部位选取三个应力集中点作为考察点。使用有限元分析软件Abaqus对模拟件进行强度分析。调整强度分析时载荷大小以及截面c、d位置，使模拟件试验段2应力场与流-热-固耦合分析得到的叶片危险部位应力场基本一致或相似，考察点的Mises应力值差值百分比在2％以内，叶根前缘处Mises应力值相同。

步骤7：设计和试验机相连接的夹具，基于试验机进行模拟件服役环境下的寿命试验；单个状态下至少进行7次试验，进行数据处理获得模拟件平均寿命，以及寿命的置信区间；模拟件断裂后，结合宏观端口分析、微观断口分析，分析裂纹萌生部位、扩展情况，确定断裂模式；结合不同试验阶段的微观组织演化分析，揭示叶片的损伤失效机理。

Claims (1)

1.一种叶片结构模拟件的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：对叶片进行流-热-固耦合分析，获取服役状态下叶片的温度场和应力场；

步骤二：确定叶片危险部位：基于步骤一所获得的温度场和应力场，参考发动机使用中叶片裂纹部位及故障情况，确定叶片容易发生破坏的危险部位；

步骤三：确定叶片模拟件，分为以下子步骤：

子步骤一：由上述步骤二中获得的叶片危险部位，以叶片危险部位为基础,沿叶片展向分别向叶尖和叶根方向延伸，延伸的末端分别设为上截面(a)和下截面(b)，使上截面(a)和下截面(b)之间部分能够包含叶片危险部位，作为模拟件试验段；

子步骤二：分别以上截面(a)和下截面(b)为基准，分别向叶尖和叶根方向扩展至截面(c)、截面(d)，形成试验过渡段(3、4)；

子步骤三：在截面(c)、截面(d)上，沿叶片展向延伸形成平台与夹持段，用于连接试验机；

子步骤四：在有限元计算软件中施加载荷于模拟试验件夹持段上，对模拟试验件加持段进行强度分析，通过调整截面(c)、(d)之间的偏移量和加载载荷大小，使模拟件试验段应力和步骤二中力得到的叶片危险部位应力大小、分布一致或相似，危险部位应力集中处应力差距在2％以内；

步骤四：进行模拟件试验件加工，开展模拟件服役环境下的寿命试验，进行数据处理获得模拟件平均寿命以及寿命的置信区间；模拟件断裂后，结合宏观端口分析、微观断口分析，分析裂纹萌生部位、扩展情况，确定断裂模式；结合不同试验阶段的微观组织演化分析，揭示叶片的损伤失效机理。