CN111855399A - 一种球面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种球面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件，整体为板状结构，中部为工作段，左右两侧为夹持段，工作段为菱性结构，两条对角线两侧部分对称。工作段上设计有球型凹陷及异形孔；其中，球型凹陷设计于工作段的正反面上，位于工作段中心位置；异形孔为四个，分别开设于工作段由其两条角平分线所等分的四个部分上。通过单轴疲劳试验机实现对试验件的加载，在设计的球型凹陷及异形孔下，最终在整个试验件的中心产生了水平方向拉伸、垂直方向压缩的多轴应力状态，形成典型的拉/压多轴应力状态。本发明可以实现对涡轮盘盘心处拉、压双轴状态的模拟，可以部分代替部件级考核试验，缩短结构设计周期，节省试验费用。

Description

一种球面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件

技术领域

本发明属于机械结构强度考核及模拟件设计的技术领域，，是一种针对球面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件，针对叶轮机械叶片、轮盘、轴等典型结构的典型受力状态，能够反映结构应力特征。

背景技术

目前，在包括航空发动机、内燃机等在内的叶轮机械叶片、轮盘、轴等典型结构中，孔边、圆角等应力集中位置是容易出现疲劳裂纹并进而发生破坏的关键部位。为保证这些位置的工作安全，通常需要通过试验进行强度考核，特别是疲劳强度考核。对于部件而言，开展部件级试验进行整体结构考核，无疑周期长、费用高，同时，试验测试中存在很多不可控因素，因而，经常采用模拟件进行强度考核。以航空发动机结构为例，采用模拟件进行疲劳强度考核的有点主要有两方面：一方面，航空发动机部件/整机试验成本特别高，设计模拟件能够降低疲劳试验的成本；另一方面是因为航空发动机实际工作的环境比较复杂，难以准确模拟，在实验室环境下进行局部危险位置的考核更容易抓住重点。

航空发动机涡轮盘是关键结构件，其强度及寿命有着严格的要求，投入使用前需要开展各种测试工作，盘心、偏心孔、榫槽等部位都要作为重点考核部位。以航空发动机涡轮盘盘心为例，航空发动机在工作时，对于某些盘心较厚的中小型发动机涡轮盘，其盘心承受的载荷是呈多轴分布的，失效形式也是多轴疲劳失效，因此对该类轮盘盘心疲劳寿命的研究实质上是一个多轴疲劳问题，而模拟件也应该设计成多轴疲劳模拟件。通过合理设计，使得模拟件危险点处的应力分量以及应力梯度能够反映轮盘盘心处的应力状态，通过模拟件的寿命来预测轮盘盘心的疲劳寿命。

对于设计出来的多轴疲劳试验件，通常要在多轴疲劳试验机上开展试验，这又带来了研究过程中的另外一个难度，即载荷的施加方式收到很大的限制。采用多轴疲劳试验机加载，试验费用同样较高，而载荷通常为拉扭载荷，受限较多。为了使得模拟件更具有普遍性，结构形式简单，加载方便，使其能够在单向拉伸的试验设备上进行疲劳试验，而不是一定要在双向载荷设备上进行试验，这就需要合理设计模拟件，使得模拟件在单向拉伸的情况下，内部出现多轴应力状态。轮盘盘心处是多轴应力状态，所以需要对模拟件进行合理设计，使得模拟件在受到单向拉力的情况下，危险点呈现多轴应力状态，再通过对模拟件尺寸的调节，使得危险点处的应力状态与轮盘盘心处的应力状态一致，在单向拉伸的试验设备上对模拟件进行疲劳试验，记录模拟件形成疲劳裂纹所需要的载荷循环次数，根据试验所得数据来预测轮盘盘心的疲劳寿命。

用于研究疲劳裂纹萌生和早期裂纹扩展的试样有很多种，包括实心圆柱试样、管状试样和十字形试样，其中十字形试样是研究双轴拉伸应力下疲劳的理想试样，但十字形试样必须要在相应的双轴疲劳试验机上进行疲劳试验，比如给十字形试样一个方向上施加拉力而另一个方向上施加压力，十字形试样的中心处就会是双轴应力状态。

发明内容

针对现有模拟件设计技术中存在的问题，本发明提出一种针对球面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件，模拟涡轮盘中心孔边周向应力为正、轴向应力为负的双轴应力状态，并可以通过单轴疲劳试验机实现加载，使得试验件能够在单向拉伸的情况内部出现双轴应力状态，且这种双轴应力状态为，一个主应力为正(拉伸)，另一个主应力为负(压缩)。

本发明一种球面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件，整体为板状结构，中部为工作段，左右两侧为夹持段，工作段为菱性结构，且工作段的两条对角线两侧部分对称。

上述工作段上设计有球型凹陷及异形孔。其中，异形孔为四个，分别开设于工作段由其两条角平分线所等分的四个部分上。球型凹陷设计于工作段的正反面上，位于工作段中心处，异性孔之间。

所述异形孔为具有三条侧边的三角形结构，各角为圆弧形角。令异形孔三条边为a、b、c；其中a边与异形孔所在部分的工作段侧边平行，b边与c边分别与菱形结构工作段的两条角平分线平行。

根据有限元计算确定实际轮盘结构盘心水平和垂直方向的应力比值，通过设计异形孔结构尺寸以及球型凹进的尺寸，使试验件中心应力比值达到所模拟的轮盘结构盘心考核点两个方向的应力比；且使危险位置位于试验件中心位置。

本发明的优点在于：

1、本发明球面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件，从球形凹陷中心的厚度变化来看，梯度变化由中心向各个方向都是一致的，更利于使中心首先发生破坏；

2、本发明球面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件，试件加工过程中，试件整体产生的残余变形更小，有利于保持板材的初始外形；

3、本发明球面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件，试验测试过程中，更便于观察裂纹扩展的走向；

4、本发明球面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件，可以在单轴加载的条件下实现双轴应力状态，降低了试验难度和费用。

附图说明

图1为本发明单轴加载实现双轴应力状态试验件结构示意图；

图2为图1中单轴加载实现双轴应力状态试验件C-C面剖视图；

图3为本发明单轴加载实现双轴应力状态试验件工作位置应力状态示意图；

图4为本发明单轴加载实现双轴应力状态试验件夹持端板状结构示意图；

图5为本发明单轴加载实现双轴应力状态试验件夹持端螺纹结构示意图。

图中：

1-菱形结构工作段 2-矩形结构夹持段 3-螺纹柱 101-球型凹陷 102-异形孔

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。

本发明球面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件，整体为板状结构，中部为菱形结构工作段1，左右两侧为矩形结构夹持段2，且菱性结构工作段1的两条对角线两侧部分对称。如图1、图2所示。

上述两侧矩形结构夹持段2端部分别与菱形结构工作段1中两个相对的夹角A与夹角B位置相接，且矩形结构夹持段2左右方向的中平分线，与夹角A和夹角B的对角线共线。同时设计两矩形结构夹持段2与菱形结构工作段1相接侧边之间为圆弧过渡，且设计菱形结构工作段1另两个相对的夹角C与夹角B为圆弧形。

上述菱形结构工作段1上设计有球型凹陷101及异形孔102。其中异形孔102为四个，分别开设于菱形结构工作段1由其两条角平分线所等分的四个部分上，开设方式相同，具体为：

异形孔102为具有三条侧边的三角形结构，各角为圆弧形角；令异形孔102三条边为a、b、c；则其中，a边与异形孔101所在部分的菱形结构工作段1侧边平行，b边与c边分别与菱形结构工作段1的两条角平分线平行。通过上述结构的四个异形孔101和菱形结构工作段1外侧边轮廓共同构成了8根梁结构，分别为：上部左右两异形孔101之间的1号梁，下部左右两异形孔101之间的2号梁，左部上下两异形孔101之间的3号梁，右部上下两异形孔之间的4号梁，以及四个异形孔101的a边与菱形结构工作段外侧边间的5～8号梁，如图3所示。这些梁中，1～4号梁的交汇位置，即整个试验件的中心，为考核位置。

球型凹陷101设计于菱形结构工作段1的正反面上，位于菱形结构段中心位置，四个异形孔之间。

上述结构试验件的左右两端采用液压夹持的方式开展疲劳试验，通过试验机的液压夹头直接夹持试验件两侧的板状夹持段即可，如图4所示。且通过在试验件两端端部设计螺纹柱3，螺纹柱3的底面与试验件夹持段两侧面间圆弧过渡，通过螺纹柱3与试验机上的螺纹接头螺纹连接，可实现试验件与试验机间采用螺纹连接的方式开展疲劳试验，如图5所示。

通过单轴疲劳试验机实现对试验件的加载，在弧形槽101及异形孔102设计方式下，试验件两侧为拉伸载荷F，此时在F力的作用下，如图3所示，3号梁与4号梁上产生了拉伸主应力σ₁；由于5号梁与6号梁对1号梁的压缩作用，7号梁与8号梁对2号梁的压缩作用，在1号梁与2号梁上产生了压缩主应力σ₂，在这两个主应力的共同作用下，在考核位置，即整个试验件的中心产生了水平方向(左右方向)拉伸、垂直方向(上下方向)压缩的多轴应力状态，形成典型的拉/压多轴应力状态。

本发明试验件中，令试验件左右方向长度为L；整体厚度为B；球型凹陷101半径为R；处具有最小厚度为B1；夹持段2宽度为H；异形孔102的三个圆弧半径分别为R1、R2、R3；5号～8号梁的宽度为H1，1号梁与2号梁的宽度为H2，3号梁与4号梁的宽度为H3。

其中，L、B用于确定试验件外形尺寸，根据试验机与材料坯料确定。R1、R2、R3以及H1、H2、H3的宽度可根据设计需求设计，具体设计方式为：

首先，根据有限元计算确定实际轮盘结构盘心(水平和垂直)的应力比值，即拉伸主应力σ1与压缩主应力σ2之间的比值，即所设计的试验件中心两个方向应力的比值；则通过多参数迭代方法，择优或寻优设计B1、R、H1、H2、H3的宽度；其中，优先确定B1、R，B1可近似取为整体厚度的B的一半，R可近似取为宽度H的1/4～1/3范围内的一个数值；随后进行优化，确定H1、H2、H3；然后再调整R1、R2、R3，这一过程中，H1、H2、H3会适当微调，最终需使试验件中心应力比值达到所模拟的轮盘结构盘心考核点两个方向的应力比；进一步设计R1、R2、R3的半径，R1、R2、R3对试验件中心位置应力比的影响不大，但需要通过设计R1、R2、R3的半径，以及各圆弧之间的直线段长度，使危险位置(可能破坏的位置)位于试验件中心位置，而不是异形孔102边缘处；如当危险位置可能出现在异形孔三个圆弧位置时，适当增大R1、R2、R3半径，会减少其破坏的可能性。若当危险位置可能出现在异形孔三条直边位置时，同时调整R1、R2以及H1；或者同时调整R1、R3以及H3会减少其破坏的可能性。

Claims (5)

1.一种球面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件，其特征在于：整体为板状结构，中部为工作段，左右两侧为夹持段，工作段为菱性结构，且工作段的两条对角线两侧部分对称；

上述工作段上设计有球型凹陷及异形孔；其中，异形孔为四个，分别开设于工作段由其两条角平分线所等分的四个部分上；球型凹陷设计于工作段的正反面上，位于工作段中心处，异形孔之间；

所述异形孔为具有三条侧边的三角形结构，各角为圆弧形角；令异形孔三条边为a、b、c；其中a边与异形孔所在部分的工作段侧边平行，b边与c边分别与菱形结构工作段的两条角平分线平行。

2.根据有限元计算确定实际轮盘结构盘心水平和垂直方向的应力比值，通过设计异形孔结构尺寸以及球型凹进的尺寸，使试验件中心应力比值达到所模拟的轮盘结构盘心考核点两个方向的应力比；且使危险位置位于试验件中心位置。

3.如权利要求1所述一种球面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件，其特征在于：球型凹陷半径为夹持段宽度的1/4～1/3范围内的任意数值，球型凹陷处最小厚度为整体厚度的一半。

4.如权利要求1所述一种球面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件，其特征在于：采用液压夹持的方式开展疲劳试验。

5.如权利要求1所述一种球面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件，其特征在于：夹持段端部设计螺纹柱，螺纹柱的底面与试验件夹持段两侧面间圆弧过渡，通过螺纹柱与试验机上的螺纹接头螺纹连接，实现采用螺纹连接的方式开展疲劳试验。

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