CN111046490A - 一种外物损伤缺口分析中的网格尺寸反演方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种外物损伤缺口分析中的网格尺寸反演方法。对叶片建模并进行模态分析计算，确定外物损伤撞击点，并对叶片进行外物损伤模拟试验，观察外物损伤缺口几何特征；并以试验数据为依据对叶片数值仿真模型进行外物损伤的冲击动力学仿真，获得外物损伤缺口几何特征尺寸模拟值；将试验与数值仿真计算的缺口几何特征进行分析对比，验证两者的吻合性；以缺口几何特征尺寸的试验值及模拟值的差值为目标函数，给定残差，以外物损伤有限元网格尺寸为输入参数，采用神经网络软件编译优化算法；运行优化程序，进行迭代，直至获得理想的网格尺寸。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机叶片损伤分析技术领域。
背景技术
当前，航空燃气涡轮发动机是绝大部分军/民用飞机的主要动力装置，被誉为飞机的心脏。涡轴发动机在工作时的高速气流产生强大的抽吸效应，有可能从机体周围的区域吸入小物体。飞行器在起飞、降落或在低空飞行过程中，沙粒、石子、禽鸟、金属块或者金属碎片等各种物体更容易被发动机的高速进气气流吸入发动机内部，撞击涡轴发动机内部结构(主要是压气机叶片)，造成冲击损伤，给发动机的性能和结构安全带来危害。根据航空发动机设计规范、手册(如MIL-E-5007D、JSGS-87231A、MIL-STD-1783、MIL-HDBK-1783BCHANGE2、GJB241-87、GJB242-87等)将沙石、金属等硬度较高的外来物撞击引起的损伤称为“外物损伤”，简称FOD(Foreign Object Damage)。
由于真实叶片的造价昂贵，并且外物损伤模拟试验过程中存在误差，故无法进行大量的外物损伤模拟试验，因此叶片的外物损伤缺口数值仿真模拟研究至关重要，能够极大地节省研究经费和推进研究进度。
现有技术中有一种方案，研究了叶片外物损伤受运动参数的影响，运用了终点弹道学中弹丸的侵彻原理，在非正规撞击模型的基础上建立了叶片遭受冲击时的运动学模型，通过计算得到了外物造成的叶片损伤与运动参数之间的规律。然而在数值仿真计算过程中，模型网格的尺寸对仿真计算结果也会有较大的影响，仅仅通过外物运动参数的改变，不能够准确反映叶片损伤与运动参数之间的规律。
故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种外物损伤缺口分析中的网格尺寸反演方法，解决如何给出较精确的外物损伤缺口网格尺寸的问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种外物损伤缺口分析中的网格尺寸反演方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、根据真实叶片模型建立叶片的有限元数值仿真模型，对有限元数值仿真模型型施加与工作载荷相同的转速及边界条件，计算出叶片的动频及振动应力分布，提取一阶振动应力最大点为外物损伤撞击点；在真实叶片模型中找到该外物损伤撞击点，选择模拟外物损伤试验的冲击速度、冲击角度、外物类型，并使用空气炮试验系统开展真实叶片模型的外物损伤试验，再观察不同工况下真实叶片模型的外物损伤的缺口几何特征，该缺口几何特征包括撞击坑最大直径，撞击坑深度；
(2)、利用步骤(1)中建立的叶片数值仿真模型，在动力学分析软件中使用Johnson-Cook本构模型与失效模型、Gruneisen状态方程进行数值模拟计算，模拟不同材料、不同尺寸的外物以不同的冲击速度、冲击角度撞击模拟叶片的过程，计算获得外物损伤缺口几何特征尺寸模拟值；外物损伤缺口几何特征尺寸模拟值包括撞击坑最大直径，撞击坑深度；
(3)、将真实叶片模型外物损伤试验获得的缺口几何特征与外物损伤缺口几何特征尺寸模拟值进行对比，比较缺口几何特征的试验值与外物损伤缺口几何特征尺寸模拟值的差值，验证外物损伤试验仿真计算与试验的吻合性并确定吻合性阈值，选取符合吻合性阈值要求的对于的外物损伤缺口几何特征尺寸模拟值作为试验模拟参数；
(4)、使用BP网络神经进行理想网格尺寸的选取，根据步骤(3)选取的试验模拟参数，对外物损伤试验获得的缺口几何特征与外物损伤缺口几何特征尺寸模拟值进行分析与总结，以外物损伤有限元网格尺寸为输入参数，以外物损伤试验获得的缺口几何特征与外物损伤缺口几何特征尺寸模拟值的差值为目标函数，给定残差，循环迭代，得到外物损伤试验获得的缺口几何特征与外物损伤缺口几何特征尺寸模拟值的差值的神经网络模型；
(5)、运行步骤(4)得到的神经网络模型，给定网格尺寸的范围区间，进行迭代，直至获得最佳的缺口几何特征尺寸的试验值与模拟值的差值，选取这时候的网格尺寸作为最优网格尺寸。
相对于现有技术，本发明可具有以下有益效果：
本发明提供的网格尺寸反演方法，是通过将真实叶片模型试验与数值仿真计算的缺口几何特征进行分析对比，验证两者的吻合性，以缺口几何特征尺寸的试验值及模拟值的差值为目标函数，给定残差，以外物损伤有限元网格尺寸为输入参数。该方法有真实叶片模型撞击试验参数的支持，并通过神经网络软件编译优化算法迭代获得理想网格尺寸，相对于现有技术能够得到较精确的外物损伤缺口网格尺寸而准确反映叶片损伤与运动参数之间的规律。
附图说明
图1是本发明外物损伤缺口分析中的网格尺寸反演方法的流程图。
具体实施方式
请结合图1所示，本发明公开一种外物损伤缺口分析中的网格尺寸反演方法，应用于航空发动机叶片的外物损伤模拟试验数值仿真模拟中。
该网格尺寸反演方法包括以下步骤：
(1)、根据真实叶片模型，利用UG或其他工程建模软件建立叶片的有限元数值仿真模型。在ANSYS或其他有限元分析软件中对建立的叶片有限元模型进行模态分析，在模态分析过程中，对有限元数值仿真模型型施加与工作载荷相同的转速及边界条件，计算出叶片的动频及振动应力分布，提取一阶振动应力最大点为外物损伤撞击点；在真实叶片模型中找到该外物损伤撞击点。根据航空发动机叶片相关维修准则边界尺寸和外场叶片的损伤数据统计，确定需要考核的损伤严重程度(撞击坑最大直径，撞击坑深度等)，根据需要考核的损伤严重程度选择模拟外物损伤试验的冲击速度、冲击角度、外物类型，并使用空气炮试验系统开展真实叶片模型的外物损伤试验，再利用扫描电镜等观测手段观察不同工况下真实叶片模型的外物损伤的缺口几何特征，该缺口几何特征包括撞击坑最大直径，撞击坑深度。在该步骤(1)中，采用真实叶片模型进行真实的外物损伤试验，以及在有限元分析软件中对建立的叶片有限元模型进行模态分析同步进行的方式，为后续的试验做准备。
(2)、利用步骤(1)中建立的叶片数值仿真模型，在LS-DYNA或其他动力学分析软件中使用Johnson-Cook本构模型与失效模型、Gruneisen状态方程进行数值模拟计算，模拟不同材料、不同尺寸的外物以不同的冲击速度、冲击角度撞击模拟叶片的过程，计算获得外物损伤缺口几何特征尺寸模拟值；外物损伤缺口几何特征尺寸模拟值包括撞击坑最大直径，撞击坑深度；
(3)、将真实叶片模型外物损伤试验获得的缺口几何特征与外物损伤缺口几何特征尺寸模拟值进行对比，比较缺口几何特征的试验值与外物损伤缺口几何特征尺寸模拟值的差值，验证外物损伤试验仿真计算与试验的吻合性并确定吻合性阈值，选取符合吻合性阈值要求的对于的外物损伤缺口几何特征尺寸模拟值作为试验模拟参数；
(4)、使用BP网络神经进行理想网格尺寸的选取，根据步骤(3)选取的试验模拟参数，对外物损伤试验获得的缺口几何特征与外物损伤缺口几何特征尺寸模拟值进行分析与总结，以外物损伤有限元网格尺寸为输入参数，以外物损伤试验获得的缺口几何特征与外物损伤缺口几何特征尺寸模拟值的差值为目标函数，给定残差，循环迭代，得到外物损伤试验获得的缺口几何特征与外物损伤缺口几何特征尺寸模拟值的差值的神经网络模型；
(5)、运行步骤(4)得到的神经网络模型，给定网格尺寸的范围区间，进行迭代，直至获得最佳的缺口几何特征尺寸的试验值与模拟值的差值，选取这时候的网格尺寸作为最优网格尺寸。
另外，本发明的具体实现方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种外物损伤缺口分析中的网格尺寸反演方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、根据真实叶片模型建立叶片的有限元数值仿真模型，对有限元数值仿真模型型施加与工作载荷相同的转速及边界条件，计算出叶片的动频及振动应力分布，提取一阶振动应力最大点为外物损伤撞击点；在真实叶片模型中找到该外物损伤撞击点，选择模拟外物损伤试验的冲击速度、冲击角度、外物类型，并使用空气炮试验系统开展真实叶片模型的外物损伤试验，再观察不同工况下真实叶片模型的外物损伤的缺口几何特征，该缺口几何特征包括撞击坑最大直径，撞击坑深度；
(2)、利用步骤(1)中建立的叶片数值仿真模型，在动力学分析软件中使用Johnson-Cook本构模型与失效模型、Gruneisen状态方程进行数值模拟计算，模拟不同材料、不同尺寸的外物以不同的冲击速度、冲击角度撞击模拟叶片的过程，计算获得外物损伤缺口几何特征尺寸模拟值；外物损伤缺口几何特征尺寸模拟值包括撞击坑最大直径，撞击坑深度；
(3)、将真实叶片模型外物损伤试验获得的缺口几何特征与外物损伤缺口几何特征尺寸模拟值进行对比，比较缺口几何特征的试验值与外物损伤缺口几何特征尺寸模拟值的差值，验证外物损伤试验仿真计算与试验的吻合性并确定吻合性阈值，选取符合吻合性阈值要求的对于的外物损伤缺口几何特征尺寸模拟值作为试验模拟参数；
(4)、使用BP网络神经进行理想网格尺寸的选取，根据步骤(3)选取的试验模拟参数，对外物损伤试验获得的缺口几何特征与外物损伤缺口几何特征尺寸模拟值进行分析与总结，以外物损伤有限元网格尺寸为输入参数，以外物损伤试验获得的缺口几何特征与外物损伤缺口几何特征尺寸模拟值的差值为目标函数，给定残差，循环迭代，得到外物损伤试验获得的缺口几何特征与外物损伤缺口几何特征尺寸模拟值的差值的神经网络模型；
(5)、运行步骤(4)得到的神经网络模型，给定网格尺寸的范围区间，进行迭代，直至获得最佳的缺口几何特征尺寸的试验值与模拟值的差值，选取这时候的网格尺寸作为最优网格尺寸。
2.根据权利要求1所述的网格尺寸反演方法，其特征在于，步骤(1)中，利用UG工程建模软件建立叶片的数值仿真模型，在ANSY有限元分析软件中对建立的叶片有限元模型进行模态分析。
3.根据权利要求1或2所述的网格尺寸反演方法，其特征在于，步骤(1)中，根据航空发动机叶片相关维修准则边界尺寸和外场叶片的损伤数据统计，确定需要考核的损伤严重程度，包括撞击坑最大直径，撞击坑深度，选择适当的模拟外物损伤试验的冲击速度、冲击角度、外物类型。使用空气炮试验系统开展外物损伤试验。
4.根据权利要求3所述的网格尺寸反演方法，其特征在于，步骤(1)中，利用扫描电镜等观测手段观察不同工况下外物损伤的缺口几何特征。
5.根据权利要求1或2所述的网格尺寸反演方法，其特征在于，步骤(2)中，在LS-DYNA动力学分析软件中使用Johnson-Cook本构模型与失效模型、Gruneisen状态方程进行数值模拟计算。
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