CN110096769A - 一种发动机单晶叶片热机械疲劳寿命快速评估方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及涡轮叶片技术领域，提供一种发动机单晶叶片热机械疲劳寿命快速评估方法，包括：确定所述单晶叶片的温度场；确定所述单晶叶片的应力场；基于热机械疲劳试验确定所述单晶叶片的损伤关键因素；根据所述温度场、所述应力场、所述损伤关键因素、晶体塑性理论以及损伤累计理论确定热机械疲劳损伤预测模型；确定所述单晶叶片的温度和应力的映射关系；根据所述映射关系和所述热机械疲劳损伤预测模型确定所述单晶叶片的热机械疲劳寿命。本公开能够提高寿命评估的效率。

Description

一种发动机单晶叶片热机械疲劳寿命快速评估方法

技术领域

本公开涉及涡轮叶片技术领域，尤其涉及一种发动机单晶叶片热机械疲劳寿命快速评估方法。

背景技术

单晶叶片是发动机涡轮的关键部件。对单晶叶片的热机械疲劳寿命进行评估是发动机设计过程中的重要步骤。

现有技术中，对单晶叶片的热机械疲劳寿命进行评估时，需要进行材料试验、零部件的高周疲劳试验、低循环疲劳试验、整机台架试车试验和飞行试验，其效率较低。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于提供一种发动机单晶叶片热机械疲劳寿命快速评估方法，能够提高寿命评估的效率。

根据本公开的一个方面，提供一种发动机单晶叶片热机械疲劳寿命快速评估方法，包括：

确定所述单晶叶片的温度场；

确定所述单晶叶片的应力场；

基于热机械疲劳试验确定所述单晶叶片的损伤关键因素；

根据所述温度场、所述应力场、所述损伤关键因素、晶体塑性理论以及损伤累计理论确定热机械疲劳损伤预测模型；

确定所述单晶叶片的温度和应力的映射关系；

根据所述映射关系和所述热机械疲劳损伤预测模型确定所述单晶叶片的热机械疲劳寿命。

在本公开的一种示例性实施例中，所述损伤关键因素包括位错结构、空洞和微裂纹的损伤累积以及晶体取向。

在本公开的一种示例性实施例中，根据所述温度场、所述应力场、所述损伤关键因素、晶体塑性理论以及损伤累计理论确定热机械疲劳损伤预测模型包括：

根据所述温度场、所述应力场、所述损伤关键因素、晶体塑性理论以及损伤累计理论确定热机械疲劳损伤参考预测模型；

对所述热机械疲劳损伤参考预测模型进行细化处理，获得热机械疲劳损伤预测模型。

在本公开的一种示例性实施例中，根据所述映射关系和所述热机械疲劳损伤预测模型确定所述单晶叶片的热机械疲劳寿命包括：

根据所述映射关系和所述热机械疲劳损伤预测模型确定所述单晶叶片的热机械疲劳损伤累积；

根据所述单晶叶片的热机械疲劳损伤累积确定所述单晶叶片的热机械疲劳寿命。

在本公开的一种示例性实施例中，确定所述单晶叶片的温度场包括：

通过瞬态温度分析方法确定所述单晶叶片的温度场。

在本公开的一种示例性实施例中，确定所述单晶叶片的温度场包括：

通过瞬态对流换热分析方法确定所述单晶叶片的温度场。

在本公开的一种示例性实施例中，确定所述单晶叶片的应力场包括：

通过瞬态温度分析方法确定所述单晶叶片的应力场。

在本公开的一种示例性实施例中，确定所述单晶叶片的应力场包括：

通过瞬态对流换热分析方法确定所述单晶叶片的应力场。

在本公开的一种示例性实施例中，基于热机械疲劳试验确定所述单晶叶片的损伤关键因素包括：

基于热机械疲劳试验，并根据微细观观测技术确定所述单晶叶片的损伤关键因素。

在本公开的一种示例性实施例中，基于热机械疲劳试验确定所述单晶叶片的损伤关键因素包括：

基于热机械疲劳试验，并根据多尺度模拟方法确定所述单晶叶片的损伤关键因素。

本公开的发动机单晶叶片热机械疲劳寿命快速评估方法，通过温度场、应力场、损伤关键因素、晶体塑性理论以及损伤累计理论确定热机械疲劳损伤预测模型，基于该热机械疲劳损伤预测模型，并根据温度和应力的映射关系确定单晶叶片的热机械疲劳寿命。由于该热机械疲劳寿命时根据热机械疲劳损伤预测模型确定，从而提高了效率。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

通过参照附图来详细描述其示例性实施例，本公开的上述和其它特征及优点将变得更加明显。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开实施方式的发动机单晶叶片热机械疲劳寿命快速评估方法的流程图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施例使得本公开将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免模糊本公开的各方面。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。用语“一”和“该”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。

本公开实施方式提供一种发动机单晶叶片热机械疲劳寿命快速评估方法。该单晶叶片为镍基单晶叶片。如图1所示，该发动机单晶叶片热机械疲劳寿命快速评估方法可以包括步骤S110至步骤S160，其中：

步骤S110、确定单晶叶片的温度场。

步骤S120、确定单晶叶片的应力场。

步骤S130、基于热机械疲劳试验确定单晶叶片的损伤关键因素。

步骤S140、根据温度场、应力场、损伤关键因素、晶体塑性理论以及损伤累计理论确定热机械疲劳损伤预测模型。

步骤S150、确定单晶叶片的温度和应力的映射关系。

步骤S160、根据映射关系和热机械疲劳损伤预测模型确定单晶叶片的热机械疲劳寿命。

本公开实施方式的发动机单晶叶片热机械疲劳寿命快速评估方法，通过温度场、应力场、损伤关键因素、晶体塑性理论以及损伤累计理论确定热机械疲劳损伤预测模型，基于该热机械疲劳损伤预测模型，并根据温度和应力的映射关系确定单晶叶片的热机械疲劳寿命。由于该热机械疲劳寿命时根据热机械疲劳损伤预测模型确定，从而提高了效率。

下面对本公开实施方式的步骤进行详细说明：

在步骤S110中，确定单晶叶片的温度场。

在一实施方式，本公开根据瞬态温度分析方法确定单晶叶片的温度场。具体地，根据瞬态温度分析方法，建立典型工况瞬态温度场分析模型，通过高精度插值算法，确定温度场。在另一实施方式中，本公开根据瞬态对流换热分析方法确定单晶叶片的温度场。具体地，根据瞬态对流换热分析方法，建立典型工况瞬态温度场分析模型，通过高精度插值算法，确定温度场。

在步骤S120中，确定单晶叶片的应力场。

该应力场是指镍基单晶叶片的任意一点都存在着一个与该点对应的瞬时应力状态。这一系列点的瞬时应力状态可以组成连续的空间应力场。在一实施方式，本公开根据瞬态温度分析方法确定单晶叶片的应力场。在另一实施方式中，本公开根据瞬态对流换热分析方法确定单晶叶片的应力场。

在步骤S130中，基于热机械疲劳试验确定单晶叶片的损伤关键因素。

基于发动机工作状态，进行不同工况的热机械疲劳试验，根据微细观观测技术或多尺度模拟方法获得损伤关键因素。该不同工况可以包括不同的相位、不同的载荷、不同的温度以及不同的晶体取向。该细微观观测技术可以通过光学显微镜、扫描电镜或透射电镜进行。该损伤关键因素可以包括包括γ′尺寸及形貌、铸造缺陷、位错结构、空洞和微裂纹的损伤累积、晶体取向以及表面状态。

在步骤S140中，根据温度场、应力场、损伤关键因素、晶体塑性理论以及损伤累计理论确定热机械疲劳损伤预测模型。

举例而言，步骤S140可以包括：根据温度场、应力场、损伤关键因素、晶体塑性理论以及损伤累计理论确定热机械疲劳损伤参考预测模型；对热机械疲劳损伤参考预测模型进行细化处理，获得热机械疲劳损伤预测模型。其中，本公开可以通过Abaqus子程序对热机械疲劳损伤参考预测模型进行细化处理。

在晶体塑性理论中，本公开采用率相关的单晶晶体塑性本构模型，该本构模型求解的关键是确定晶体滑移系的滑移率，它与分切应力有关。滑移系的分切应力与宏观应力之间的关系可表示为：

τ^α＝σ/p^α；

其中，τ^α为各个滑移的分切应力，p^α为取向因子，σ为晶轴系下的应力张量。取向因子p^α的定义为：

计算应力率需要先求出个滑移系中的剪切应变率，它需要根据硬化方程来计算。本发明采用的是率相关的幂函数硬化方程，其表示为：

式中，g^α称为滑移阻力，ω^α为背应力，为参考剪切应变速率。若在整个变形过程中则τ^α＝g^α就成为在剪切速率为时的τ^α-γ^α曲线方程。m为应变速率敏感指数。当m＝0时，为与应变速率无关的情况。需要说明的是，当m→0时计算不稳定。

低周疲劳本构模型中滑移阻力的演化可用优化的Asaro定律表示：结合与温度相关的参数和硬化矩阵h^αβ＝{q+(1-q)σ^αβ}(其中q＝1.4)对其进行优化。潜硬化率是积累非弹性应变的单调饱和函数，其中，h₀为硬化模量，g*为饱和应力，p为硬化指数。由于镍基单晶材料在低周疲劳的过程中会发生硬化，所以在低周疲劳本构模型中需要引入运动硬化，而运动硬化一般通过背应力的演化实现。运动硬化率可由以下方程得出：

式中，系数λ和ω_∞是与温度相关的函数。

在热机械疲劳循环中，潜硬化率不仅与应变变化相关，而且与温度的变化也有十分密切的关系，因此滑移阻力的变化率应表示为滑移率和温度变化率的函数。初始滑移阻力g₀对于TMF模拟十分重要，恒温条件下的潜硬化率为：

假设参数h₀、g^*、p以及h^αβ为常量，将上述积分为：

其中，g₀为g^α的初始值，假设h₀与g₀是温度Θ的函数，对时间微分得：

可知，经典Asaro定律增加了一项温度变化率。发现，h₀的变化对于温度的影响十分微小，而g₀对于结果的准确性十分重要。为了预测潜硬化率与温度和应变的同步变化情况，潜硬化率优化为：

在步骤S150中，确定单晶叶片的温度和应力的映射关系。

基于超拉丁方试验，进行大样本的温度、强度计算，得到不同工况下涡轮叶片危险部位温度、应力数据，通过高精度的Kriging代理模型、神经网格模型，建立不同工况下危险部位的温度、应力之间的映射关系(此时可进行该映射关系的校核，确保准确性)。

在步骤S160中，根据映射关系和热机械疲劳损伤预测模型确定单晶叶片的热机械疲劳寿命。

举例而言，步骤S160可以包括：根据映射关系和热机械疲劳损伤预测模型确定单晶叶片的热机械疲劳损伤累积；根据单晶叶片的热机械疲劳损伤累积确定单晶叶片的热机械疲劳寿命。

本领域技术人员在考虑说明书及实践后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种发动机单晶叶片热机械疲劳寿命快速评估方法，其特征在于，包括：

确定所述单晶叶片的温度场；

确定所述单晶叶片的应力场；

基于热机械疲劳试验确定所述单晶叶片的损伤关键因素；

根据所述温度场、所述应力场、所述损伤关键因素、晶体塑性理论以及损伤累计理论确定热机械疲劳损伤预测模型；

确定所述单晶叶片的温度和应力的映射关系；

根据所述映射关系和所述热机械疲劳损伤预测模型确定所述单晶叶片的热机械疲劳寿命。

2.根据权利要求1所述的发动机单晶叶片热机械疲劳寿命快速评估方法，其特征在于，所述损伤关键因素包括位错结构、空洞和微裂纹的损伤累积以及晶体取向。

3.根据权利要求1所述的发动机单晶叶片热机械疲劳寿命快速评估方法，其特征在于，根据所述温度场、所述应力场、所述损伤关键因素、晶体塑性理论以及损伤累计理论确定热机械疲劳损伤预测模型包括：

根据所述温度场、所述应力场、所述损伤关键因素、晶体塑性理论以及损伤累计理论确定热机械疲劳损伤参考预测模型；

对所述热机械疲劳损伤参考预测模型进行细化处理，获得热机械疲劳损伤预测模型。

4.根据权利要求1所述的发动机单晶叶片热机械疲劳寿命快速评估方法，其特征在于，根据所述映射关系和所述热机械疲劳损伤预测模型确定所述单晶叶片的热机械疲劳寿命包括：

根据所述映射关系和所述热机械疲劳损伤预测模型确定所述单晶叶片的热机械疲劳损伤累积；

根据所述单晶叶片的热机械疲劳损伤累积确定所述单晶叶片的热机械疲劳寿命。

5.根据权利要求1所述的发动机单晶叶片热机械疲劳寿命快速评估方法，其特征在于，确定所述单晶叶片的温度场包括：

通过瞬态温度分析方法确定所述单晶叶片的温度场。

6.根据权利要求1所述的发动机单晶叶片热机械疲劳寿命快速评估方法，其特征在于，确定所述单晶叶片的温度场包括：

通过瞬态对流换热分析方法确定所述单晶叶片的温度场。

7.根据权利要求1所述的发动机单晶叶片热机械疲劳寿命快速评估方法，其特征在于，确定所述单晶叶片的应力场包括：

通过瞬态温度分析方法确定所述单晶叶片的应力场。

8.根据权利要求1所述的发动机单晶叶片热机械疲劳寿命快速评估方法，其特征在于，确定所述单晶叶片的应力场包括：

通过瞬态对流换热分析方法确定所述单晶叶片的应力场。

9.根据权利要求1所述的发动机单晶叶片热机械疲劳寿命快速评估方法，其特征在于，基于热机械疲劳试验确定所述单晶叶片的损伤关键因素包括：

基于热机械疲劳试验，并根据微细观观测技术确定所述单晶叶片的损伤关键因素。

10.根据权利要求1所述的发动机单晶叶片热机械疲劳寿命快速评估方法，其特征在于，基于热机械疲劳试验确定所述单晶叶片的损伤关键因素包括：

基于热机械疲劳试验，并根据多尺度模拟方法确定所述单晶叶片的损伤关键因素。