CN109145510B - 一种钛合金缺陷数据修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛合金缺陷数据修正方法，属于安全评估技术领域；具体为：针对某航空发动机轮盘，首先，得到该发动机轮盘内的初始铸块缺陷尺寸；并与材料无损检测得到的POD曲线结合，得到铸块的初始缺陷分布曲线；然后，使用DEFORM软件进行仿真模拟，计算得到铸块加工后坯料的缺陷尺寸；将铸块加工后坯料的缺陷尺寸与POD曲线结合，得到坯料的初始缺陷分布；通过在仿真模拟中不断改变不同接触条件与约束条件，得到不同条件下的坯料缺陷分布，即得到了对初始的铸块缺陷分布的修正；本发明大大缩短了缺陷分布数据的积累周期，对支持国产民用发动机概率风险评估工作，以及适航审定要求具有重要的工程意义和实际价值。

Description

一种钛合金缺陷数据修正方法

技术领域

本发明属于安全评估技术领域，具体是一种钛合金缺陷数据修正方法。

背景技术

缺陷分布数据是航空发动机轮盘失效概率分析的关键输入数据，是一种特殊而又核心的数据，直接影响到对航空发动机安全性的评估。

当前国内对于轮盘的缺陷分布数据积累有限，而且随着工业水平的提高，缺陷分布也随之发生变化，缺陷分布数据的积累与修正，对于发动轮盘的安全性有着重要影响。

对于数据的修正，如果仅通过实际轮盘生产过程的数据累积进行修正，则存在周期长、成本高和数据需求量大的缺点，尤其对于我国不能满足现阶段民机型号迫切的适航取证需要。因此，通过数值仿真的方式，完成缺陷分布数据的部分修正，从而缩短周期降低成本，将具有重要意义。

发明内容

本发明针对航空发动机轮盘内含缺陷的缺陷数据分布，提出了一种通过数值模拟的缺陷数据修正方法，缩短周期降低成本的同时获得更加准确的缺陷分布数据，保证航空发动机的安全性与适航。

具体步骤如下：

步骤一、针对某航空发动机轮盘，得到该发动机轮盘内的初始铸块缺陷尺寸；

初始铸块缺陷尺寸具体包括铸块的径向、轴向和周向尺寸。

步骤二、将初始铸块的缺陷尺寸与材料无损检测得到的POD曲线结合，得到铸块的初始缺陷分布曲线；

POD曲线与材料本身，以及无损检测水平相关；横坐标为铸块缺陷的面积值，纵坐标为铸块缺陷的检出概率。

具体过程为：

首先，利用缺陷三维尺寸，计算铸块检出缺陷的面积A：

Radial为铸块的径向尺寸值，Axial为铸块的轴向尺寸值，Circu为铸块的周向尺寸值；

然后，根据缺陷面积A，在POD曲线上查出其对应的检出概率POD_A，则无损检测前，面积为A的铸块缺陷数量N为：

N＝1/POD_A

最后，由此铸块的缺陷数量N，结合POD曲线得到轮盘最初的铸块缺陷分布曲线。

步骤三、使用DEFORM软件进行仿真模拟，计算得到铸块加工后坯料的缺陷尺寸；

具体步骤如下：

步骤301、建立刚塑性材料发生塑性变形时应满足的基本方程：

1、平衡方程：σ_ij,j＝0；σ为材料流动应力；

平衡方程为指标表示法(下文出现指标表示法时,同上)，x,y,z三个相互垂直的方向，表达为方程形式为：

2、速度-应变速率关系方程：

为材料应变速率，μ为材料变型位移

3、Levy-Mises方程：

σ′为材料流动应力偏量，

为等效应力，

为等效应变速率；

4、Mises屈服准则方程：

对于理想刚塑性材料，k为常数。

步骤302、通过试验或调研获得材料流动应力数据，建立材料自身的模型；

在材料热变形过程中，其流动应力σ主要取决于变形温度T和应变速率

流动应力与变形温度、应变速率和应变的变化规律，采用下式来求解：

其中：σ_max表示峰值流动应力、稳态流动应力或某一应变下对应的流动应力，A，a，h为与材料相关,温度无关的常数；Q为热激活能，R为气体常数，T为温度。

步骤303、对每个铸块划分网格，并对该铸块的缺陷部分进行网格细化分；

在网格划分窗口首先选择网格划分类型，采用绝对网格划分；然后将最小网格尺寸与尺寸比率权重因子设置为1；

在缺陷部分创建细化窗口，首先，点选区域生成窗口而后拖动窗口各面调节空间大小，最后生成网格。

步骤304、根据实际需求设置接触条件与约束条件；

接触条件与约束条件包括：锻造应变率，锻造温度，与环境换热系数，接触摩擦等。

步骤305、利用刚塑性材料发生塑性变形时应满足的基本方程，材料自身的模型以及划分的网格，结合需要满足的接触条件与约束条件，在deform软件中开始模拟计算。

步骤四、将铸块加工后坯料的缺陷尺寸与POD曲线结合，得到坯料的初始缺陷分布；

利用坯料的不同大小的缺陷尺寸，即径向(Radial)、轴向(Axial)、周向(Circumferential)尺寸，计算坯料中检出缺陷的面积A'：

Radial'为坯料的径向尺寸值，Axial'为坯料的轴向尺寸值，Circu'为坯料的周向尺寸值；

然后，由得到的缺陷面积A'，在POD曲线上查出其对应的检出概率POD_A'，则无损检测前面积为A'的缺陷数量N'为：

N'＝1/POD_A'

最后，由此坯料的缺陷数量N'，结合POD曲线得到坯料的缺陷分布曲线。

步骤五、返回步骤三，通过在仿真模拟中不断改变不同接触条件与约束条件，得到不同条件下的坯料缺陷分布，即得到了对初始的铸块缺陷分布的修正；

在模拟中通过改变工艺条件，接触条件等，进行不同条件下的加工模拟，结合自身工艺进行修正。

本发明的优点在于：

本方法可通过数值模拟对加工过程中缺陷分布数据进行修正，大大缩短了缺陷分布数据的积累周期，对支持国产民用发动机概率风险评估工作，以及适航审定要求具有重要的工程意义和实际价值。

附图说明

图1为本发明钛合金缺陷数据修正方法的缺陷分布数据修正逻辑框图；

图2为本发明一种钛合金缺陷数据修正方法的流程图；

图3为本发明缺陷的几何示意图；

图4为本发明TiN(氮化钛)流动应力曲线的示意图；

图5为本发明的材料模型示意图；

图6为本发明DEFORM模拟中基体与缺陷模型示意图；

图7为本发明的材料POD曲线示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明从满足适航的要求出发，通过仿真来对钛合金轮盘缺陷分布数据修正，如图1所示，首先由初始铸块的缺陷尺寸得到铸块的缺陷分布基线，然后改变不同加工工艺，得到不同加工工艺下的坯料的缺陷分布数据并进行修正：具体为将不同工艺下铸块缺陷分布曲线作为输入数据，计算不同工艺下内含硬α缺陷轮盘的概率失效风险，并进行对比分析。

如图2所示，具体步骤如下：

步骤一、针对某航空发动机轮盘，得到该发动机轮盘内的初始铸块缺陷尺寸；

如图3所示，初始铸块缺陷尺寸具体包括铸块的径向、轴向和周向尺寸。

步骤二、将初始铸块的缺陷尺寸与材料无损检测得到的POD曲线结合，得到铸块的初始缺陷分布曲线；

POD曲线与材料本身，以及无损检测水平相关；如图7所示，横坐标为铸块缺陷的面积值，纵坐标为铸块缺陷的检出概率。

具体过程为：

首先，利用不同大小的缺陷三维尺寸，如图6所示，计算铸块检出缺陷的面积A：

Radial为铸块的径向尺寸值，Axial为铸块的轴向尺寸值，Circu为铸块的周向尺寸值；

然后，根据缺陷面积A，在POD曲线上查出其对应的检出概率POD_A，则无损检测前，面积为A的铸块缺陷数量N为：

N＝1/POD_A

最后，由此铸块的缺陷数量N，假设缺陷数量在加工过程中不发生变化，即加工过程中缺陷只有尺寸发生变化，结合POD曲线即可得到轮盘最初的铸块缺陷分布曲线。

步骤三、使用DEFORM软件根据初始缺陷分布曲线进行不同加工工艺下仿真模拟，计算得到铸块加工后坯料的缺陷尺寸；

具体步骤如下：

步骤301、根据刚塑性材料发生塑性变形时应满足的基本方程，建立主体与缺陷的几何模型；

1、平衡方程：σ_ij,j＝0；σ为材料流动应力；

平衡方程为指标表示法(下文出现指标表示法时,同上)，x,y,z三个相互垂直的方向，表达为方程形式为：

2、速度-应变速率关系方程：

为材料应变速率，μ为材料变型位移

3、Levy-Mises方程：

σ′为材料流动应力偏量，

为等效应力，

为等效应变速率；

4、Mises屈服准则方程：

对于理想刚塑性材料，k为常数。

步骤302、通过试验或调研获得材料流动应力数据，建立材料自身的模型；

在材料热变形过程中，其流动应力σ主要取决于变形温度T和应变速率

流动应力与变形温度、应变速率和应变的变化规律，采用下式来求解：

其中：σ_max表示峰值流动应力、稳态流动应力或某一应变下对应的流动应力，A，a，h为与材料相关,温度无关的常数；Q为热激活能，R为气体常数，T为温度。例如TiN材料模型数据如说明书附图中，如图4和图5所示。

步骤303、对每个铸块划分网格，并对该铸块的缺陷部分进行网格细化分；

在网格划分窗口首先选择网格划分类型，采用绝对网格划分；然后将最小网格尺寸与尺寸比率权重因子设置为1；

在缺陷部分创建细化窗口，首先，点选区域生成窗口而后拖动窗口各面调节空间大小，最后生成网格(先选择surface mesh再选择solid mesh)。

步骤304、根据实际需求设置接触条件与工艺条件；

根据实际需求，设置锻造应变率，锻造温度，与环境换热系数，接触摩擦等接触条件与工艺条件。

步骤305、利用刚塑性材料发生塑性变形时应满足的基本方程，材料自身的模型以及划分的网格，结合需要满足的接触条件与约束条件，在deform软件中开始模拟计算。

在deform软件中，通过以上设置，建立几何模型，通过试验或调研获得材料流动应力数据，建立材料模型，进行网格划分后，设定接触与约束条件，即可开始模拟计算。

步骤四、将铸块加工后坯料的缺陷尺寸与POD曲线结合，得到坯料的初始缺陷分布；

利用坯料的不同大小的缺陷尺寸，即径向(Radial)、轴向(Axial)、周向(Circumferential)尺寸，计算坯料中检出缺陷的面积A'：

Radial'为坯料的径向尺寸值，Axial'为坯料的轴向尺寸值，Circu'为坯料的周向尺寸值；

然后，由得到的缺陷面积A'，在POD曲线上查出其对应的检出概率POD_A'，则无损检测前面积为A'的缺陷数量N'为：

N'＝1/POD_A'

最后，由此坯料的缺陷数量N'，结合POD曲线得到坯料的缺陷分布曲线。

步骤五、返回步骤三，通过在仿真模拟中不断改变不同接触条件与工艺条件，得到不同条件下的坯料缺陷分布，即得到了对初始的铸块缺陷分布的修正；

在模拟中通过改变工艺条件，接触条件等，进行不同条件下的加工模拟，结合自身工艺进行修正。

本发明通过仿真模拟来获得不同加工工艺下材料的缺陷分布数据，进而对缺陷分布数据进行修正，进而作为概率失效风险提供数据输入，仿真的结果表明：在轮盘加工过程中，随着加工温度的减小，轮盘内缺陷尺寸增加，缺陷分布曲线向右修正，失效风险概率增加。因此该方法可对缺陷数据进行修正输入，缩短缺陷分布数据积累周期，填补国内缺陷分布数据空白，对逐步建立典型钛合金材料缺陷数据库具有指导意义，对国产发动机适航取证工作具有重要支撑。

Claims (4)

1.一种钛合金缺陷数据修正方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、针对某航空发动机轮盘，得到该发动机轮盘内的初始铸块缺陷尺寸；

步骤二、将初始铸块的缺陷尺寸与材料无损检测得到的POD曲线结合，得到铸块的初始缺陷分布曲线；

具体过程为：

首先，利用缺陷三维尺寸，计算铸块检出缺陷的面积A：

Radial为铸块的径向尺寸值，Axial为铸块的轴向尺寸值，Circu为铸块的周向尺寸值；

然后，根据缺陷面积A，在POD曲线上查出其对应的检出概率POD_A，则无损检测前，面积为A的铸块缺陷数量N为：

N＝1/POD_A

最后，由此铸块的缺陷数量N，结合POD曲线得到轮盘最初的铸块缺陷分布曲线；

步骤三、使用DEFORM软件进行仿真模拟，计算得到铸块加工后坯料的缺陷尺寸；

具体步骤如下：

步骤301、建立刚塑性材料发生塑性变形时应满足的基本方程：

1、平衡方程：σ_ij,j＝0；σ为材料流动应力；

平衡方程为指标表示法，x,y,z三个相互垂直的方向，表达为方程形式：

2、速度-应变速率关系方程：

为材料应变速率，μ为材料变型位移；

3、Levy-Mises方程：

σ′为材料流动应力偏量，

为等效应力，

为等效应变速率；

4、Mises屈服准则方程：

对于理想刚塑性材料，k为常数；

步骤302、通过试验或调研获得材料流动应力数据，建立材料自身的模型；

在材料热变形过程中，其流动应力σ取决于变形温度T和应变速率

采用下式来求解：

其中：σ_max表示峰值流动应力、稳态流动应力或应变下对应的流动应力，A，a，h为与材料相关,温度无关的常数；Q为热激活能，R为气体常数，T为温度；

步骤303、对每个铸块划分网格，并对该铸块的缺陷部分进行网格细化分；

在网格划分窗口首先选择网格划分类型，采用绝对网格划分；然后将最小网格尺寸与尺寸比率权重因子设置为1；

在缺陷部分创建细化窗口，首先，点选区域生成窗口而后拖动窗口各面调节空间大小，最后生成网格；

步骤304、根据实际需求设置接触条件与约束条件；

接触条件与约束条件包括：锻造应变率，锻造温度，与环境换热系数和接触摩擦；

步骤305、利用刚塑性材料发生塑性变形时应满足的基本方程，材料自身的模型以及划分的网格，结合需要满足的接触条件与约束条件，在deform软件中开始模拟计算；

步骤四、将铸块加工后坯料的缺陷尺寸与POD曲线结合，得到坯料的初始缺陷分布；

步骤五、返回步骤三，通过在仿真模拟中不断改变不同接触条件与约束条件，得到不同条件下的坯料缺陷分布，即得到了对初始的铸块缺陷分布的修正。

2.如权利要求1所述的一种钛合金缺陷数据修正方法，其特征在于，所述的步骤一中初始铸块缺陷尺寸具体包括铸块的径向、轴向和周向尺寸。

3.如权利要求1所述的一种钛合金缺陷数据修正方法，其特征在于，所述的步骤二中POD曲线与材料本身，以及无损检测水平相关；横坐标为铸块缺陷的面积值，纵坐标为铸块缺陷的检出概率。

4.如权利要求1所述的一种钛合金缺陷数据修正方法，其特征在于，所述的步骤四具体为：利用坯料的不同大小的缺陷尺寸，计算坯料中检出缺陷的面积A'：

Radial'为坯料的径向尺寸值，Axial'为坯料的轴向尺寸值，Circu'为坯料的周向尺寸值；

然后，由得到的缺陷面积A'，在POD曲线上查出其对应的检出概率POD_A'，则无损检测前面积为A'的缺陷数量N'为：

N'＝1/POD_A'

最后，由此坯料的缺陷数量N'，结合POD曲线得到坯料的缺陷分布曲线。

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