CN111579396A

CN111579396A - 一种涡轮榫接微动疲劳试验件的优化方法

Info

Publication number: CN111579396A
Application number: CN202010352957.8A
Authority: CN
Inventors: 张宏建; 崔宝龙; 崔海涛; 温卫东
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2020-04-29
Filing date: 2020-04-29
Publication date: 2020-08-25
Anticipated expiration: 2040-04-29
Also published as: CN111579396B

Abstract

本发明公开了一种涡轮榫接微动疲劳试验件的优化方法,涡轮榫接微动疲劳试验件包含涡轮榫头试验件和涡轮榫槽试验件，与夹具固定于疲劳试验机，并搭载高温炉，进行涡轮榫的高温微动疲劳实验。本发明通过多目标尺寸优化技术，以试验段涡轮榫头和涡轮榫槽形状独立尺寸参数为变量，以航空发动机真实涡轮榫接结构接触面平均相对滑移值和接触面最大等效应力为目标，设计出微动疲劳试验件，能精确模拟涡轮榫接实际微动疲劳工况，平均相对滑移值和等效应力误差最小能达到5%以内。

Description

一种涡轮榫接微动疲劳试验件的优化方法

技术领域

本发明涉及微动疲劳试验装置领域，尤其涉及一种涡轮榫接微动疲劳试验件的优化方法。

背景技术

微动疲劳通常发生在名义上相互静止的两个结构件之间，当两个相互接触的结构件在受到周期性的载荷时，在接触面会形成振幅较小的相对滑动，受到这种微动的影响，会造成接触面附近裂纹过早成核和扩展，大幅度降低结构件的使用寿命，从而造成微动疲劳。由于微动接触面相互接触，裂纹的成核和扩展规律难以观察，又由于影响微动疲劳寿命的因素众多，试验和理论研究难以准确评估这些影响因素对微动疲劳寿命的影响，而且微动疲劳失效难以预防，因此被称为“工业癌症”。

航空发动机榫接结构在工作过程中，受到循环施加的离心力，会造成接触面发生微动，再由于接触面应力水平高，应力梯度大，会造成微动疲劳破坏。接触面的等效应力值和相对滑移值是影响微动疲劳寿命的重要因素。现在大多数微动疲劳试验研究都采用狗骨形的疲劳试验件，很难模拟发动机榫接结构在工作过程中的应力状态和应力梯度。

中国专利申请号为CN201910333433.1公开的“一种适用于高温的单卡头式微动疲劳试验装置”，上述技术采用狗骨形实验件，与真实涡轮榫接结构形状不同，虽然也能模拟微动疲劳工况，但是接触面应力水平和滑移值与实际不同，本试验件利用涡轮榫头和涡轮榫槽形状的试验段，通过多目标优化技术模拟其三维计算的接触面最大等效应力和平均相对滑移值，与三维计算结果误差最小可以达到5%以内。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种榫接微动疲劳试验件的优化方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案

一种涡轮榫接微动疲劳试验件的优化方法，所述涡轮榫接微动疲劳试验件包含涡轮榫头试验件和涡轮榫槽试验件，所述涡轮榫头试验件包含依次相连的夹持段、连接段和涡轮榫头，所述涡轮榫槽试验件上设有和所述涡轮榫头相匹配的涡轮榫槽，涡轮榫头试验件的夹持段、涡轮榫槽试验件均为等腰梯形且其上均设有用于夹持的圆孔；所述涡轮榫头试验件的连接段呈漏斗状；所述涡轮榫槽底部两侧为圆角；令涡轮榫头试验件的夹持段在上、涡轮榫头在下，涡轮榫槽试验件的涡轮榫槽朝上，则涡轮榫头试验件夹持段下底边的半宽、涡轮榫槽试验件上底边的半宽长度相等，令其为W；令涡轮榫槽下端面与其底部两侧圆角的切点向两侧延伸预设的距离阈值、向下延伸预设的距离阈值为涡轮榫槽的下部区域；

所述优化方法包含以下步骤：

步骤1），首先对涡轮榫头试验件所在的涡轮叶片和涡轮榫槽试验件所在的盘进行静力分析计算，进行循环对称分析，在接触面建立接触对，设定摩擦系数，施加涡轮榫接触面上平均温度和载荷位移约束条件，根据计算结果分别提取每对接触面平均相对滑移值和最大等效应力参数；

步骤2），优化试验件轮廓尺寸：

步骤2.1），以W、涡轮榫头试验件夹持段下底边半宽和上底边半宽之差deltaW1、涡轮榫槽试验件上底边的半宽和下底边半宽之差deltaW2、涡轮榫头试验件夹持段的高度T_H1、涡轮榫槽试验件的高度T_H2为优化变量和输入参数，以涡轮榫槽下部区域提取的最大等效应力和最大等效应力点的等效应变值为目标，以试件最大拉应力、最大等效应力、最大剪应力、最大挤压应力为输出参数，以最大拉应力小于许用拉应力、最大等效应力小于许用等效应力、最大剪应力小于许用剪应力、最大挤压应力小于许用挤压应力为约束条件，指定多目标优化算法为自适应多目标遗传算法，并且指定优化变量上下限,进行试验件外形轮廓优化计算；

步骤2.2），试验件外形轮廓优化计算完毕之后，从候选点中选取误差最小的设计点进行校核，从而确定微动疲劳实验构件的外形尺寸；

步骤3），优化试件工作段涡轮榫头和涡轮榫槽接触面形状：

步骤3.1），令涡轮榫槽接触面上端和涡轮榫槽试验件上端面之间竖直连线为壁面K；

以涡轮榫头和涡轮榫槽的顶角wedge_angle、涡轮榫头底部倒角即涡轮榫头底部与接触面下端之间连线的夹角chamfer_angle、涡轮榫头的高度H、涡轮榫头顶面高H1、涡轮榫头的倒角高度即涡轮榫头接触面下端未倒角之前与榫头底部的高度H3、；涡轮榫头在其T线位置处宽度W1；涡轮榫头接触面和涡轮榫头颈部竖直线之间的过渡圆角R_r1、涡轮榫头接触面下端的过渡圆角R_r2、涡轮榫头底面两端的过渡圆角R_r3、涡轮榫槽试验件上端面和壁面K之间的过渡圆角G_r0、涡轮榫槽接触面和壁面K之间的过渡圆角G_r1、榫头接触底面和榫槽接触底面之间的距离h为优化变量和输入参数，以三维真实几何模型的循环对称分析接触面的最大等效应力和平均相对滑移值为目标，以试件最大拉应力、最大等效应力、最大剪应力、最大挤压应力为输出参数，以最大拉应力小于许用拉应力、最大等效应力小于许用等效应力、最大剪应力小于许用剪应力、最大挤压应力小于许用挤压应力为约束条件，指定优化算法为自适应多目标遗传算法，进行多目标优化计算；

步骤3.2），进行结果校核，确定涡轮榫接结构尺寸。

作为本发明一种涡轮榫接微动疲劳试验件的优化方法进一步的优化步骤，所述预设的距离阈值的范围为大于等于3mm小于等于4mm。

作为本发明一种涡轮榫接微动疲劳试验件的优化方法进一步的优化步骤，所述步骤2.1）中自适应多目标遗传算法的迭代次数大于等于100次。

作为本发明一种涡轮榫接微动疲劳试验件的优化方法进一步的优化步骤，所述步骤3.1）中自适应多目标遗传算法的迭代次数大于等于600次。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. 本发明利用涡轮榫头和涡轮榫槽形状的试验件，通过多目标尺寸优化技术，进行涡轮榫头和涡轮榫槽形状的优化设计，能高精度的模拟发动机涡轮榫接触的与微动疲劳寿命影响大的影响因素，接触面最大等效应力和平均相对滑移值；

2. 本发明利用二维形状的涡轮榫头和涡轮榫槽结构模拟三维涡轮榫头和涡轮榫槽结构接触面的最大等效应力及平均相对滑移值，因而结构简单，成本低，可以降低实验的周期及难度；

3. 本发明采用参数化设计方法，通过修改优化程序中的材料属性，可以模拟高温合金，粉末冶金，定向凝固材料，镍基单晶合金等涡轮榫接结构常用材料；

4. 本发明采用多个单齿模拟涡轮双齿或三齿构件，可以使试验件更方便对中，和齿形加工误差导致的实验误差，使试验结果更加准确；

5. 本发明采用慢走丝方法加工，加工精度高，加工成本低，速度快，可以大幅度降低实验成本和时间。

附图说明

图1是榫微动疲劳试验件结构图；

图2是榫微动疲劳试验件设计流程图；

图3是7mm厚循环对称算模型图；

图4是有限元计算模型图；

图5是试件轮廓优化变量图；

图6是涡轮榫头和涡轮榫槽形状优化变量图；

图7是提取等效应力等效应变参数区域图。

图中，1-涡轮榫头试验件，2-涡轮榫头和涡轮榫槽接触面工作段，3-涡轮榫槽试验件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

本发明公开了一种涡轮榫接微动疲劳试验件的优化方法，所述涡轮榫接微动疲劳试验件包含涡轮榫头试验件和涡轮榫槽试验件，所述涡轮榫头试验件包含依次相连的夹持段、连接段和涡轮榫头，所述涡轮榫槽试验件上设有和所述涡轮榫头相匹配的涡轮榫槽，涡轮榫头试验件的夹持段、涡轮榫槽试验件均为等腰梯形且其上均设有用于夹持的圆孔，如图1所示；所述涡轮榫头试验件的连接段呈漏斗状；所述涡轮榫槽底部两侧为圆角；令涡轮榫头试验件的夹持段在上、涡轮榫头在下，涡轮榫槽试验件的涡轮榫槽朝上，则涡轮榫头试验件夹持段下底边的半宽、涡轮榫槽试验件上底边的半宽长度相等，令其为W；令涡轮榫槽下端面与其底部两侧圆角的切点向两侧延伸预设的距离阈值、向下延伸预设的距离阈值为涡轮榫槽的下部区域；

所述优化方法包含以下步骤：

步骤2），优化试验件轮廓尺寸：

步骤3），优化试件工作段涡轮榫头和涡轮榫槽接触面形状：

以涡轮榫头和涡轮榫槽的顶角wedge_angle、涡轮榫头底部倒角即涡轮榫头底部与接触面下端之间连线的夹角chamfer_angle、涡轮榫头的高度H、涡轮榫头顶面高H1、涡轮榫头的倒角高度即涡轮榫头接触面下端未倒角之前与榫头底面高度H3、；涡轮榫头在其T线位置处宽度W1；涡轮榫头接触面和涡轮榫头颈部竖直线之间的过渡圆角R_r1、涡轮榫头接触面下端的过渡圆角R_r2、涡轮榫头底面两端的过渡圆角R_r3、涡轮榫槽试验件上端面和壁面K之间的过渡圆角G_r0、涡轮榫槽接触面和壁面K之间的过渡圆角G_r1、榫头接触底面和榫槽接触底面之间的距离h为优化变量和输入参数，以三维真实几何模型的循环对称分析接触面的最大等效应力和平均相对滑移值为目标，以试件最大拉应力、最大等效应力、最大剪应力、最大挤压应力为输出参数，以最大拉应力小于许用拉应力、最大等效应力小于许用等效应力、最大剪应力小于许用剪应力、最大挤压应力小于许用挤压应力为约束条件，指定优化算法为自适应多目标遗传算法，进行多目标优化计算；

步骤3.2），进行结果校核，确定涡轮榫接结构尺寸。

所述预设的距离阈值的范围为大于等于3mm小于等于4mm；所述步骤2.1）中自适应多目标遗传算法的迭代次数大于等于100次；所述步骤3.1）中自适应多目标遗传算法的迭代次数大于等于600次。

涡轮榫接微动疲劳试验件的设计流程图如图2，首先进行涡轮榫接结构三维接触分析，提取接触面上影响微动疲劳寿命的特性参数，接触面最大等效应力和平均相对滑移值。编写涡轮榫接结构参数化分析程序，进行多目标尺寸优化进行两轮寻优，分别优化试验件外形轮廓和齿形参数，从而确定试验件尺寸。

首先对涡轮叶片和盘进行静力分析计算，利用三维建模软件(UG或pro/e)，将涡轮盘和涡轮榫头切割成一个扇区，进行循环对称分析，在接触面建立接触对，设定摩擦系数，并在接触面局部进行加密，施加转速，涡轮榫接触面平均均匀温度场，和其他位移约束条件。根据计算结果提取接触面平均相对滑移值和最大等效应力参数。同时计算没有拉削角的平直扇形段，形状如图3所示，进行循环对称分析。提取涡轮榫槽下部区域的最大等效应力和最大等效应力点的等效应变值。

其次利用APDL语言，建立二维涡轮榫头试验件和涡轮榫槽试验件参数化模型，有限元计算模型如图4所示，由于结构为对称，有限元计算模型采用一半可以减少网格数量，并在对称面上施加对称边界条件，约束上端固定，载荷施加在有限元模型底边，其大小为三维计算榫头的离心力根据试验件的厚度和真实榫接结构厚度之比进行缩放。独立变量图5和图6所示，并且利用APDL语言完成分网，加密接触面网格，建立接触对，加载，提取平均相对滑移值和接触面最大等效应力等参数。程序编完后，需对程序独立变量的正确性和独立性进行校核，利用理论分析和数据验证相结合的方法来进行验证。通过理论分析确定各个关键点的位置是否独立和形状是否正确，然后通过改变一系列独立变量的数值，观察试件形状和相对位置是否正确。

本次计算利用workbench平台进行计算，首先建立新的mechanical APDL模块，读入以上所编写APDL程序，并且设置输入和输出参数，然后连接直接优化模块，设置好多目标目标函数和约束条件，指定输入变量取值范围，并且设置多目标优化算法，推荐选用自适应多目标优化算法，此算法运行效率较多目标遗传算法高，并指定迭代次数，进行优化计算。

优化计算分为两轮，两轮优化选取对应的输入和输出参数，试验件轮廓尺寸影响试验件刚性，为了保持试件和涡轮盘有相近的刚性。首先进行轮廓尺寸优化计算，以图5所示优化变量为输入参数，以榫槽下部区域即图7阴影区域，提取的最大等效应力和最大等效应力点的等效应变值为目标，同时也为输出参数，同时输出参数还有接触面挤压应力，构件最大剪应力，第一主应力，最大等效应力小于相应许用应力作为约束条件。通过实际计算经验，推荐迭代次数大于100次，进行优化计算，从候选点中选取较好结果并进行校核，从而确定轮廓尺寸。

第二轮优化优化涡轮榫头和涡轮榫槽形状，以图6所示优化变量为输入参数，以三维真实几何模型的循环对称分析接触面的最大等效应力和平均相对滑移值为目标，设定输入变量取值范围，指定优化算法和迭代次数，根据实际计算经验，推荐迭代次数大于600次，进行多目标优化，从而确定涡轮榫头和涡轮榫槽形状，从候选点中选取优化效果较好的结果，并进行结果校核，从而确定涡轮榫接结构尺寸。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种涡轮榫接微动疲劳试验件的优化方法，所述涡轮榫接微动疲劳试验件包含涡轮榫头试验件和涡轮榫槽试验件，所述涡轮榫头试验件包含依次相连的夹持段、连接段和涡轮榫头，所述涡轮榫槽试验件上设有和所述涡轮榫头相匹配的涡轮榫槽，涡轮榫头试验件的夹持段、涡轮榫槽试验件均为等腰梯形且其上均设有用于夹持的圆孔；所述涡轮榫头试验件的连接段呈漏斗状；所述涡轮榫槽底部两侧为圆角；令涡轮榫头试验件的夹持段在上、涡轮榫头在下，涡轮榫槽试验件的涡轮榫槽朝上，则涡轮榫头试验件夹持段下底边的半宽、涡轮榫槽试验件上底边的半宽长度相等，令其为W；令涡轮榫槽下端面与其底部两侧圆角的切点向两侧延伸预设的距离阈值、向下延伸预设的距离阈值为涡轮榫槽的下部区域；

其特征在于，所述优化方法包含以下步骤：

步骤2），优化试验件轮廓尺寸：

步骤3），优化试件工作段涡轮榫头和涡轮榫槽接触面形状：

以涡轮榫头和涡轮榫槽的顶角wedge_angle、涡轮榫头底部倒角即涡轮榫头底部与接触面下端之间连线的夹角chamfer_angle、涡轮榫头的高度H、涡轮榫头顶面高H1、涡轮榫头的倒角高度即涡轮榫头接触面下端未倒角之前与榫头底部的高度H3、涡轮榫头在其T线位置处宽度W1、涡轮榫头接触面和涡轮榫头颈部竖直线之间的过渡圆角R_r1、涡轮榫头接触面下端的过渡圆角R_r2、涡轮榫头底面两端的过渡圆角R_r3、涡轮榫槽试验件上端面和壁面K之间的过渡圆角G_r0、涡轮榫槽接触面和壁面K之间的过渡圆角G_r1、榫头接触底面和榫槽接触底面之间的距离h为优化变量和输入参数，以三维真实几何模型的循环对称分析接触面的最大等效应力和平均相对滑移值为目标，以试件最大拉应力、最大等效应力、最大剪应力、最大挤压应力为输出参数，以最大拉应力小于许用拉应力、最大等效应力小于许用等效应力、最大剪应力小于许用剪应力、最大挤压应力小于许用挤压应力为约束条件，指定优化算法为自适应多目标遗传算法，进行多目标优化计算；

步骤3.2），进行结果校核，确定涡轮榫接结构尺寸。

2.根据权利要求1所述的涡轮榫接微动疲劳试验件的优化方法，其特征在于，所述预设的距离阈值的范围为大于等于3mm小于等于4mm。

3.根据权利要求1所述的涡轮榫接微动疲劳试验件的优化方法，其特征在于，所述步骤2.1）中自适应多目标遗传算法的迭代次数大于等于100次。

4.根据权利要求1所述的涡轮榫接微动疲劳试验件的优化方法，其特征在于，所述步骤3.1）中自适应多目标遗传算法的迭代次数大于等于600次。