CN111859729B - 考虑多弹丸随机分布的喷丸模型对轮盘寿命的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑多弹丸随机分布的喷丸模型对轮盘寿命的快速计算方法，属于航空发动机轮盘寿命管理领域。首先，本发明基于所需的喷丸工艺参数，判断其是否包含在已建立的数据库中，若是，则从数据库中快速识别提取出残余应力，否则通过二次开发程序建立多弹丸随机分布的喷丸模型并进行有限元分析，获得不同深度处的残余应力。然后，将获得的残余应力结合考虑轮盘工作应力，利用通用权函数法计算得到应力强度因子。最后，利用裂纹扩展Nasgro公式计算得到轮盘寿命。本发明为考虑实际喷丸过程的轮盘寿命评估奠定基础，通过考虑多弹丸随机分布模型规避了少弹丸对称分布模型带来的误差，并建立数据库，实现轮盘寿命高效准确计算。

Description

考虑多弹丸随机分布的喷丸模型对轮盘寿命的计算方法
技术领域
本发明属于航空发动机轮盘的寿命管理领域，涉及一种考虑多弹丸随机分布的喷丸模型对轮盘寿命的快速计算方法。
背景技术
航空发动机的安全性是保证飞行器安全运行的关键，安全性保障需通过安全性分析技术实现；美国航空工业界针对旋转轮盘等关键部件的安全性保障，是通过一套完整的寿命限制件寿命评估流程实现的，其核心即概率失效风险评估技术。该技术在航空发动机轮盘的寿命管理中展示出很大的潜力，因而这些年来获得了广泛的应用。它可以处理载荷、工作环境和材料等参数的随机性对部件安全性的影响，适航规章中规定航空发动机在进行适航取证时需要使用此方法表明限制寿命件在寿命期内的失效概率小于设计目标风险(DTR)，发动机才能获得最终的型号合格证。
应力分布及寿命计算是概率风险评估方法的重要输入参数，其中，寿命计算主要受到应力分布的影响。作为典型限制寿命件的轮盘受到的应力不仅包括离心应力、热应力等工作应力，还包括加工过程产生的轮盘内部及表面的残余应力。轮盘类部件在进行喷丸处理过程中，大量高速运动的弹丸不断撞击金属靶件表面，在靶件表面产生不均匀塑性变形，使靶件表面产生残余压应力，此残余压应力场会影响裂纹的裂纹扩展速率，进而会影响工件疲劳寿命和工件表面完整性。
然而，喷丸过程中弹丸的形态是大量随机的，在商用仿真软件中无法实现多弹丸快速生成并随机分布的要求，故目前针对喷丸加工的研究多是基于少弹丸对称分布的模型，但这与实际喷丸过程不符。并且由于仿真模拟计算量庞大，无法根据给定喷丸工艺参数快速得到对应残余应力分布，这就给轮盘寿命计算提出了难题。
发明内容
针对现有技术中，喷丸加工的模拟基于少弹丸对称分布实现，无法体现实际喷丸加工过程的影响，本发明提出一种考虑多弹丸随机分布的喷丸模型对轮盘寿命的快速计算方法，利用本方法可更加准确快速、自动地模拟真实喷丸情况下残余应力分布情况，并得到相应的寿命增长值。
本发明提供了一种考虑多弹丸随机分布的喷丸模型对轮盘寿命的计算方法，包括如下步骤：
步骤一：设定喷丸工艺参数，利用二次开发前处理程序建立多丸粒初始位置服从随机分布的喷丸强化有限元模型，并进行有限元分析；
步骤二：利用二次开发后处理程序对步骤一中有限元分析获得的结果进行后处理分析，提取所需求解区域不同深度处的所有应力分布，并对相同深度处所有节点应力计算平均值，作为该深度处的残余应力结果输出；
步骤三：将步骤一中的二次开发前处理程序和步骤二中的二次开发后处理程序整合开发为参数建模二次开发程序，并利用此参数建模二次开发程序实现参数化建模，根据常用的喷丸工艺参数范围值，建立以喷丸工艺参数为输入条件、模拟得到的应力分布为输出的数据库；
步骤四：根据生产所需的喷丸工艺参数值调用步骤三中所建立的数据库，判断生产所需的喷丸工艺参数值是否超出步骤三中所建立的数据库中的喷丸工艺参数阈值；如果超出，执行步骤五，否则执行步骤六；
步骤五：将生产所需的喷丸工艺参数值输入到步骤三中整合开发的参数建模二次开发程序中，通过有限元分析获得随深度变化的残余应力分布，之后采用通用权函数法计算残余应力的应力强度因子，再根据应力叠加法将残余应力的 应力强度因子与工作应力强度因子叠加得到总的应力强度因子，利用考虑裂纹闭合效应的NASGRO公式计算裂纹扩展速率，得到设定喷丸工艺参数下的轮盘寿命增加值；
步骤六：将生产所需的喷丸工艺参数值，与步骤三中所建立的数据库中的喷丸工艺参数范围值作对比，从数据库中查找到对应的残余应力分布，根据通用权函数法计算残余应力的应力强度因子，再根据应力叠加法将残余应力的 应力强度因子与工作应力强度因子叠加得到总的应力强度因子，利用考虑裂纹闭合效应的NASGRO公式计算裂纹扩展速率，从而得到设定喷丸工艺参数下的轮盘寿命增加值。
进一步，设定的喷丸工艺参数可以包括弹丸直径、弹丸速度和弹丸个数。
本发明的有益效果：
1)本发明考虑了实际喷丸过程中更加准确的分析模型及残余应力分布，从而为考虑喷丸过程的轮盘寿命评估奠定基础；
2)本发明基于随机的原则自动生成随机分布的弹丸，规避了人为生成对称分布的弹丸带来的不准确性与复杂性；
3)本发明通过建立常用不同喷丸工艺参数下残余应力分布数据库，可避免重复的有限元仿真工作，从而使轮盘寿命计算更加简单高效。
附图说明
图1为本发明的考虑多弹丸随机分布的喷丸模型对轮盘寿命的快速计算方法流程图；
图2为本发明考虑多弹丸随机分布的喷丸模型示意图；
图3为本发明考虑喷丸情况下裂纹扩展寿命增长示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供的考虑多弹丸随机分布的喷丸模型对轮盘寿命的计算方法，包括如下步骤：
步骤一：设定喷丸工艺参数，利用二次开发前处理程序，建立多丸粒初始位置服从随机分布的喷丸强化有限元模型，并提交作业进行有限元分析。优选地，喷丸工艺参数包括弹丸直径、弹丸速度和弹丸个数等参数。
步骤二：利用二次开发后处理程序对步骤一中有限元分析获得的结果进行后处理分析，可以实现提取所需求解区域不同深度处的所有应力分布，并对相同深度处所有节点应力计算平均值，作为该深度处的残余应力结果输出(txt文件)；
步骤三：将上述步骤一中的二次开发前处理程序和步骤二中的二次开发后处理程序整合开发为一套完整的参数建模二次开发程序，并利用此参数建模二次开发程序实现参数化建模，根据常用的喷丸工艺参数范围值，建立以喷丸工艺参数为输入条件、模拟得到的应力分布为输出的数据库，实现根据喷丸工艺参数快速获取应力并进行后续轮盘寿命分析；
步骤四：根据实际生产所需的喷丸工艺参数值调用步骤三中所建立的数据库，首先判断实际生产所需的喷丸工艺参数值是否超出步骤三中所建立的数据库中的步骤一中设定的喷丸工艺参数的阈值；如果超出，执行步骤五，否则执行步骤六；
步骤五：将实际生产所需的喷丸工艺参数值输入到步骤三中整合开发的参数建模二次开发程序中，进行有限元分析并获得随深度变化的残余应力分布，之后采用通用权函数法计算残余应力的应力强度因子，再根据应力叠加法将残余应力应力强度因子与工作应力强度因子叠加得到总的应力强度因子，利用考虑裂纹闭合效应的NASGRO公式计算裂纹扩展速率，得到所需的喷丸工艺参数值下的轮盘寿命增加值；
步骤六：将实际生产所需喷丸工艺参数值，与所建立的应力分布数据库中输入的喷丸工艺参数范围值做对比，找到范围中包含实际生产所需的喷丸工艺参数值的的子数据库，将喷丸工艺参数值输入到子数据库中，快速查找到生产所需的喷丸工艺参数对应的残余应力分布，根据通用权函数法计算残余应力的应力强度因子，再根据应力叠加法将残余应力应力强度因子与工作应力强度因子叠加得到总的应力强度因子，利用考虑裂纹闭合效应的NASGRO公式计算裂纹扩展速率，从而得到实际生产所需的喷丸工艺参数值下的轮盘寿命增加值。应该理解，本发明的工作应力是为了计算轮盘寿命人为给定的。
下面结合附图和具体实施例来进一步说明本发明。
选择一组常用的喷丸工艺参数：弹丸直径d＝0.28mm、弹丸速度v＝80m/s、弹丸个数n＝75个，利用二次开发前处理程序，建立多丸粒初始位置服从随机分布的喷丸强化有限元模型，如图2所示，将实际生产所需的喷丸工艺参数值输入到数据库中得到对应的残余应力分布，并选定常用的工作应力 500Mpa进行后续计算。利用权函数法计算残余应力与工作应力应力强度因子K：
Figure BDA0002524725380000041
其中，a为裂纹半长；σ为不含裂纹时加载的应力分布；F为含有裂纹体几何修正系数；W是带有裂纹体几何结构的宽度；L是带有裂纹体几何结构的长度。
然后将由于施加的载荷和残余应力而产生的应力强度因子K相加，得出总应力强度因子。再利用Nasgro公式计算裂纹扩展速率，计算表达式如下：
Figure BDA0002524725380000051
其中，N为疲劳载荷的循环次数；a是裂纹长度；R为应力比；ΔK为应力强度因子幅值；Kmax是最大应力强度因子；ΔKth是应力强度因子阈值；KC是临界应力强度因子；C，m，p，q是通过实验确定的材料相关经验参数； f是裂纹张开公式。按照上述本发明轮盘寿命计算方法，获得最终考虑喷丸下的裂纹扩展寿命增长示意图，如图3所示，裂纹扩展寿命增长率约 22.2％。
对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种考虑多弹丸随机分布的喷丸模型对轮盘寿命的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：设定喷丸工艺参数，利用二次开发前处理程序建立多丸粒初始位置服从随机分布的喷丸强化有限元模型，并进行有限元分析；
步骤二：利用二次开发后处理程序对步骤一中有限元分析获得的结果进行后处理分析，提取所需求解区域不同深度处的所有应力分布，并对相同深度处所有节点应力计算平均值，作为该深度处的残余应力结果输出；
步骤三：将步骤一中的二次开发前处理程序和步骤二中的二次开发后处理程序整合开发为参数建模二次开发程序，并利用此参数建模二次开发程序实现参数化建模，根据常用的喷丸工艺参数范围值，建立以喷丸工艺参数为输入条件、模拟得到的应力分布为输出的数据库；
步骤四：根据生产所需的喷丸工艺参数值调用步骤三中所建立的数据库，判断生产所需的喷丸工艺参数值是否超出步骤三中所建立的数据库中的喷丸工艺参数阈值；如果超出，执行步骤五，否则执行步骤六；
步骤五：将生产所需的喷丸工艺参数值输入到步骤三中整合开发的参数建模二次开发程序中，通过有限元分析获得随深度变化的残余应力分布，之后采用通用权函数法计算残余应力的应力强度因子，再根据应力叠加法将残余应力的 应力强度因子与工作应力强度因子叠加得到总的应力强度因子，利用考虑裂纹闭合效应的NASGRO公式计算裂纹扩展速率，得到设定喷丸工艺参数下的轮盘寿命增加值；
步骤六：将生产所需的喷丸工艺参数值，与步骤三中所建立的数据库中的喷丸工艺参数范围值作对比，从数据库中查找到对应的残余应力分布，根据通用权函数法计算残余应力的应力强度因子，再根据应力叠加法将残余应力的 应力强度因子与工作应力强度因子叠加得到总的应力强度因子，利用考虑裂纹闭合效应的NASGRO公式计算裂纹扩展速率，得到设定喷丸工艺参数下的轮盘寿命增加值。
2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，设定的喷丸工艺参数包括弹丸直径、弹丸速度和弹丸个数。
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