CN109583147B - 一种离心叶轮预旋转盘心梯度模拟件设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种离心叶轮预旋转盘心梯度模拟件设计方法，(1)获取有限元计算所需要的输入；(2)确定想要模拟的轮盘预旋转转速的限制条件，第一点是轮盘预旋转转速必须低于破裂转速；第二点是轮盘叶片尖端前缘与尾缘的径向与轴向位移不得超过限定值；(3)根据有限元计算结果选定欲模拟的预旋转转速，基于预旋转转速直到经过预旋转处理的轮盘工作转速应力分布达到最小值的原则进行选择；(4)模拟对象有效性校核。根据第二步得到的边界条件，校核第三步选择的预旋转转速是否满足要求；(5)以含缺口的平板试验件为基本对象，设计单轴拉伸试验件，通过调整试验件的载荷水平和几何尺寸保证残余应力梯度相同。
Description
技术领域
本发明是一种针对航空发动机离心叶轮预旋转之后盘心梯度模拟件设计方法，它是一种能够考虑涡轮盘预旋转之后盘心产生的残余应力分布的模拟件设计方法，属于航空航天发动机技术领域。
背景技术
涡轮盘在服役环境下盘心的应力最大，是寿命评估的薄弱部位。残余压应力的引入能够降低构件工作时的载荷水平，进而影响构件工作寿命。轮盘在使用之前进行大转速预旋转处理是国外先进发动机常用的处理方法，其基本原理是通过大转速预旋转使得盘心的应力达到屈服，卸载后在盘心引入残余压应力。由于基于标准件的试验无法产生残余应力，难以量化离心叶轮盘心预旋转之后的疲劳规律。为了研究残余压应力场下疲劳裂纹萌生与裂纹扩展的规律，因此，需要设计反应盘心残余应力特征的特征模拟件并开展相应的疲劳试验，在实验室环境下模拟轮盘盘心处经过预旋转之后的残余应力梯度，获取相应的裂纹萌生与扩展规律。
发明内容
本发明技术解决方案：克服现有技术的不足，提供一种针对航空发动机离心叶轮预旋转之后盘心梯度模拟件设计方法，通过设计模拟件充分反应离心叶轮盘心预旋转之后的残余应力、应力梯度，开展离心叶轮疲劳裂纹萌生与扩展的影响规律研究。
本发明技术解决方案：一种离心叶轮预旋转盘心梯度模拟件设计方法，结合轮盘预旋转之后静强度分析结果，采用在平板试验件上制造缺口的形式产生应力集中，通过预拉伸的方式形成残余应力。通过调节缺口半径、深度、试验件厚度等参数，设计能够反映盘心应力梯度的特征结构模拟件，实现轮盘预旋转之后盘心残余应力的大小与梯度的准确模拟，具体的实现步骤如下：
第一步，获取有限元计算所需要的输入。轮盘进行有限元计算所需要的输入包括轮盘的几何模型，轮盘服役的工况条件以及工况条件下的材料性能参数。所述工况条件包括涡轮盘的工作转速，涡轮盘的温度场以及涡轮盘安装的约束条件；所述材料性能参数包括轮盘材料的密度；在工作温度下的弹性模量、泊松比、塑性本构参数、膨胀系数和抗拉强度值；
第二步，确定想要模拟的轮盘预旋转转速的限制条件。轮盘预旋转转速指的是轮盘进行预旋转处理时所达到的最大转速，以百分数来表示，计算方法是最大转速与设计转速的比值。预旋转转速的限制条件包括两个方面，第一点是轮盘预旋转转速必须低于破裂转速，否则轮盘有破裂失效的危险；第二点是轮盘叶片尖端前缘与尾缘的径向与轴向位移不得超过限定值，否则叶片会与机匣发生碰磨引起叶片磨损或者变形；
第三步，根据有限元计算结果选定欲模拟的预旋转转速。依据第一步的几何模型、工况、材料数据，建立离心叶轮有限元静力分析模型，为减小有限元模型网格数量提高计算效率，取轮盘的可周期循环的一部分模型进行有限元建模，设置循环对称的边界条件。施加机械载荷与热载荷。开展多个预旋转转速下预旋转之后的残余应力分布计算同时针对相同的预旋转转速，计算经过预旋转处理的轮盘工作转速应力分布。不断增大预旋转转速直到经过预旋转处理的轮盘工作转速应力分布达到最小值为止。
第四步，模拟对象有效性校核与应力梯度提取。根据第二步得到的边界条件，校核第三步选择的预旋转转速是否满足要求。如果满足要求，根据有限元计算结果，提取残余应力场从盘心沿径向的残余应力分布曲线；如果不满足要求，就根据约束条件重新选择模拟的预旋转转速。
第五步，以含缺口的平板试验件为基本对象，设计单轴拉伸试验件，通过调整载荷水平，使得残余应力最大值与预旋转转速下盘心处的残余应力最大值相同，进一步调节缺口圆弧半径、圆弧深度、试验件宽度，对比模拟件和真实轮盘残余应力，尽可能保证残余应力梯度相同。至此模拟件设计完成。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明在选择模拟对象的时候提出了需要满足一定的边界条件，对模拟对象需要满足的条件进行了讨论，更加符合实际情况，具有可行性。
(2)本发明通过设置缺口来模拟残余应力与残余应力梯度情况，缺口的大小和形状都可以调节以保证设计的模拟件应力梯度与离心叶轮预旋转之后盘心梯度相同。
(3)相比直接用真实叶片进行疲劳试验，本发明所有加工表面都为平面或规则曲面，便于机械加工，且造价便宜。
附图说明
图1为本发明的一种离心叶轮预旋转盘心梯度模拟件设计方法流程图；
图2为某型离心叶轮计算获得的盘心残余应力随预旋转转速变化曲线；
图3为含缺口平板模拟件基本形貌；
图4为实际离心叶轮盘心梯度与模拟件梯度对比图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明一种离心叶轮预旋转盘心梯度模拟件设计方法技术方案做进一步说明。
如图1所示，本发明涉及一种离心叶轮预旋转盘心梯度模拟件设计方法，实现步骤如下：
第一步，获取有限元计算所需要的输入。轮盘进行有限元计算所需要的输入包括轮盘的几何模型，轮盘服役的工况条件以及工况条件下的材料性能参数。轮盘的几何模型是指可以导入有限元软件进行计算的三维模型，以大型商用有限元软件ABAQUS为例，在UG里面完成轮盘实体建模之后，以x_t的形式导入有限元软件之中。工况条件包括涡轮盘的工作转速，涡轮盘的温度场以及涡轮盘安装的位置，工作转速与温度场分别引起轮盘工作过程的机械载荷与热应力，轮盘安装的约束条件对应有限元计算约束条件；材料性能参数包括不同温度下轮盘材料的密度，在工作温度下的弹性模量、泊松比、塑性本构参数、膨胀系数和抗拉强度值，其中塑性本构参数是最重要的值，可通过开展单轴拉伸试验获取塑性段的应力应变曲线。
第二步，确定想要模拟的轮盘预旋转转速的限制条件。轮盘预旋转转速指的是轮盘进行预旋转处理时所达到的最大转速，以百分数来表示，计算方法是最大转速与设计转速的比值。预旋转转速的限制条件包括两个方面，第一点是轮盘预旋转转速必须低于破裂转速，否则轮盘有破裂失效的危险；第二点是轮盘叶片尖端前缘与尾缘的径向与轴向位移不得超过限定值，否则叶片会与机匣发生碰磨引起叶片磨损或者变形；破裂转速可以由有限元计算得到，当最大应力达到抗拉强度时即认为达到破裂转速；叶片尖端前缘与尾缘的径向与轴向位移限定值应该由发动机设计者给出。
第三步，根据有限元计算结果选定欲模拟的预旋转转速。依据第一步的几何模型、工况、材料数据，在大型商用有限元软件ABAQUS中建立离心叶轮有限元静力分析模型，为减小有限元模型网格数量提高计算效率，取轮盘的可周期循环的一部分模型进行有限元建模，设置循环对称的边界条件。以转速的形式施加机械载荷，同时施加温度场热载荷。开展多个预旋转转速下预旋转之后的残余应力分布计算同时针对相同的预旋转转速，计算经过预旋转处理的轮盘工作转速应力分布。以某型离心叶轮为例，首先针对105％的预旋转转速进行计算，此时计算得到残余应力水平为零，以同样的增量水平不断增大预旋转转速，并开展两个方面应力水平计算，直到经过预旋转处理的轮盘工作转速应力分布达到最小值为止，将此时的预旋转转速作为预选的预旋转转速，如图2所示为该型离心叶轮计算获得的盘心残余应力随预旋转转速变化曲线，其中横坐标是预旋转转速，左纵坐标是盘心最大周向残余应力，右纵坐标是经预旋转之后盘心周向工作应力。
第四步，模拟对象有效性校核与应力梯度提取。根据第二步得到的边界条件，校核第三步选择的预旋转转速是否满足要求。即将预选的预旋转转速与破坏转速进行比较，如果小于则认为满足要求；将有限元计算得到的叶片尖端位移与限制值进行比较，如果小于则认为满足要求。如果有效性校核通过，根据有限元计算结果，提取残余应力场从盘心沿径向的残余应力分布曲线；如果有效性校核通过，则根据约束条件重新选择模拟的预旋转转速。选取的原则是选择上一个计算的预旋转转速并进行有效性校核，直到满足条件位置。
第五步，以含缺口的平板试验件为基本对象，设计单轴拉伸试验件，如图3所示，其中A点为考核点。通过调整载荷水平，使得残余应力最大值与预旋转转速下盘心处的残余应力最大值相同，进一步调节缺口圆弧半径、圆弧深度、试验件宽度，对比模拟件缺口处沿宽度方向的残余应力分布和第四步提取得到的残余应力曲线，尽可能保证残余应力梯度相同。如果模拟精度达不到要求，对上述参数重新调节直至满足要求为止。实际离心叶轮盘心梯度与模拟件梯度对比如图4所示，其中横坐标是距离盘心的距离，纵坐标是残余应力数值。至此模拟件设计完成。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。
Claims (3)
1.一种离心叶轮预旋转盘心梯度模拟件设计方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)获取有限元计算所需要的输入，轮盘进行有限元计算所需要的输入包括轮盘的几何模型，轮盘服役的工况条件以及工况条件下的材料性能参数；所述轮盘的几何模型指的是导入有限元软件中的几何模型，所述工况条件包括涡轮盘的工作转速，涡轮盘的温度场以及涡轮盘安装的约束条件；所述材料性能参数包括轮盘材料的密度；在工作温度下的弹性模量、泊松比、塑性本构参数、膨胀系数和抗拉强度值；
(2)确定想要模拟的轮盘预旋转转速的限制条件，所述轮盘预旋转转速指的是轮盘进行预旋转处理时所达到的最大转速，以百分数来表示，计算方法是最大转速与设计转速的比值；所述预旋转转速的限制条件是指限制预旋转转速增加的约束条件；
(3)根据有限元计算结果选定欲模拟的预旋转转速，所述欲模拟的预旋转转速是指本次模拟件设计所模拟的残余应力场对应的预旋转转速；
(4)模拟对象有效性校核与应力梯度提取，所述模拟对象是指欲模拟的预旋转转速；所述有效性校核是指校核选择的预旋转转速是否满足步骤(3)要求，所谓应力梯度提取是指提取从盘心沿径向的残余应力分布曲线；
所述步骤(4)中，模拟对象有效性校核的方法为根据步骤(2)得到的边界条件，校核步骤(3)选择的预旋转转速是否满足要求，如果满足要求，进行提取残余应力场提取；如果不满足要求，则根据约束条件重新选择预旋转转速并重新校核，直至满足要求为止；
(5)以含缺口的平板试验件为基本对象，设计单轴拉伸试验件，保证残余应力梯度相同，所述单轴拉伸试验件是指试验施加载荷为单轴载荷的试验件；
所述步骤(5)中，设计单轴拉伸试验件指的是通过调整载荷水平，使得残余应力最大值与预旋转转速下盘心处的残余应力最大值相同，进一步调节缺口圆弧半径、圆弧深度、试验件宽度，对比模拟件和真实轮盘残余应力，保证残余应力梯度相同。
2.根据权利要求1所述的一种离心叶轮预旋转盘心梯度模拟件设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中，预旋转转速的限制条件同时满足两个方面，第一点是轮盘预旋转转速必须低于破裂转速，否则轮盘有破裂失效的危险；所述破裂转速是指轮盘最大应力达到抗拉强度发生破坏的最大转速；第二点是轮盘叶片尖端前缘与尾缘的径向与轴向位移不得超过限定值，否则叶片会与机匣发生碰磨引起叶片磨损或者变形。
3.根据权利要求1所述的一种离心叶轮预旋转盘心梯度模拟件设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中，选定欲模拟的预旋转转速的方式为开展多个预旋转转速下预旋转之后的残余应力分布计算，同时针对相同的预旋转转速，计算经过预旋转处理的轮盘工作转速应力分布，不断增大预旋转转速直到经过预旋转处理的轮盘工作转速应力分布达到最小值为止。
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