CN111985131B - 一种考虑曲面形状的涡轮榫槽激光冲击强化数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑曲面形状的涡轮榫槽激光冲击强化数值模拟方法，步骤为：(1)根据榫槽结构对称性建立半榫槽模型，并利用高应变率本构模型赋予结构弹塑性材料属性；(2)对榫槽模型进行网格划分，并针对激光冲击区域进行局部网格加密；(3)基于有限元网格进行曲面离散，将曲面近似成小平面集合，并计算平面中心点及法向；(4)考虑实际工艺情况，编写子程序定义激光峰值压力、脉冲宽度、光斑尺寸、搭接率、激光法向、冲击路径，对离散后的平面进行冲击压力计算；(5)基于ABAQUS软件进行动态分析和静态回弹求解，获取榫槽结构激光冲击强化之后的残余应力场。

Description

一种考虑曲面形状的涡轮榫槽激光冲击强化数值模拟方法

技术领域

本发明是一种考虑曲面形状的涡轮榫槽激光冲击强化数值模拟方法，它是一种能够高效准确模拟出涡轮榫槽结构激光冲击强化效果的方法，属于航空航天发动机技术领域。

背景技术

激光冲击强化技术是目前航空工业应用较多的一种表面强化技术，利用大功率激光器产生高能激光，将覆盖在材料表面的吸收层在短时间内气化、电离，形成高温高压的等离子体。随后等离子体膨胀，产生GPa量级压力，诱发材料产生塑性形变，形成一定深度的残余压应力层，从而达到对金属材料表面进行改性的目的。航空发动机涡轮榫接部位连接涡轮叶片与涡轮盘，工作时不仅要承受涡轮盘的离心载荷和热载荷，还要承受叶片部位的离心载荷、气动载荷和热应力等，极易产生疲劳裂纹，因此激光冲击强化在涡轮榫槽上的应用具有极大的工程价值。目前针对激光冲击强化的研究仍以试验为主，激光冲击强化数值模拟的研究主要针对平板结构，而对于涡轮榫槽这类几何特征复杂、曲面特征明显结构的数值模拟，直接简化成平面板结构进行计算会造成较大的误差，难以有效模拟涡轮榫接的激光冲击强化过程。

目前关于涡轮榫槽激光冲击强化的研究基本以试验为主，缺少考虑曲面形状影响的涡轮榫槽激光冲击强化数值模拟方法。

发明内容

本发明技术解决方案：克服现有技术的不足，提供一种考虑曲面形状的涡轮榫槽激光冲击强化数值模拟方法，相比于平面，曲面激光冲击强化的主要区别在于作用区域更为复杂，冲击力大小、方向随曲面位置变化而改变，因此对曲面结构进行离散，分别加载压力，是解决涡轮榫槽结构激光冲击强化模拟的有效思路，有效反映涡轮榫槽激光冲击强化后残余应力场分布，服务与支撑激光冲击强化在涡轮榫槽部位的应用与后续疲劳寿命评估。

本发明技术解决方案：一种考虑曲面形状的涡轮榫槽激光冲击强化数值模拟方法，以离散的思想，基于有限元网格完成曲面离散，并结合VDLOAD子程序实现曲面激光冲击强化的压力计算与加载，获得了榫槽激光冲击强化后的残余应力场，实现步骤如下：

第一步，根据榫槽模型对称性建立半榫槽模型，并利用高应变率本构模型赋予结构弹塑性材料属性。真实涡轮盘榫槽结构在涡轮盘上分布呈周期性对称，同时单一榫槽结构具有平面对称的特性，因此涡轮榫槽的激光冲击强化模拟仅需要针对半榫槽结构进行。在UG等建模软件中对半榫槽结构进行建模，导入ABAQUS中，并赋予能够反映高应变率下应力应变关系的J-C本构模型，其表达式如下：

式中，其中σ_eq为流动应力，A、B、n为反映材料应变硬化特征的参数，m反映了材料的温度软化效应，C反映了应变率的影响，ε_eq为应变，ε/ε₀为无量纲应变率，T^*为无量纲温度。

由于激光冲击强化为冷加工技术，过程中材料温度变化程度极小，因此可忽略温度项的影响，将模型简化为：

第二步，针对建立的半榫槽模型进行网格划分：针对整体模型直接布种、分网，建立基础粗糙网格；针对激光冲击区域，为保证有限元模拟过程中对高压力、动态加载的求解精度，在冲击表面及一定深度的区域进行网格加密，建立精细网格。

第三步，基于有限元网格进行曲面离散，对激光冲击区域表面的曲面结构进行分割，得到大量子曲面的集合，这些曲面足够小，近似转化成平面不会影响整体集合的几何特性，通过对建模所得的inp数据文件进行读取，获取特定单元节点坐标，进一步计算得到离散后平面的中心坐标及法向。

第四步：考虑真实榫槽结构在进行激光冲击强化处理的工艺过程情况，利用Fortran语言编写VDLOAD子程序定义激光峰值压力、脉冲宽度、光斑尺寸、搭接率、激光法向、冲击路径，对离散后的平面进行冲击压力计算，并编写程序根据时间关系进行加载。压力计算采用的是Fabbro公式，其表达式如下：

其中

为等效冲击压力，单位为GPa；α为内能中热能占比；Z为折合声阻抗，单位g/(cm²·s)，通过靶材声阻抗Z₁和约束层声阻抗Z₂计算得到，公式如下：

I₀为激光功率密度，单位GW/cm²，通过激光能量E、脉冲宽度τ、光斑面积S计算得到，公式如下：

通过空间几何关系判断受到冲击的平面，利用激光向量与平面法向进行计算，得到入射角度θ，考虑斜入射激光冲击的功率密度衰减，计算得到小平面所受到的压力P，折算公式如下：

第五步，基于ABAQUS软件建立有限元模型进行激光冲击强化数值仿真，根据实际榫槽设置边界条件，基于所建立的模型，采用显示直接积分动态分析法计算激光冲击强化过程中材料的弹塑性变形，复制模型，将动态分析结果以预定义场的方式导入，去除材料塑性特性，进行隐式静态分析，得到稳定的激光冲击强化后残余应力场。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明将曲面形状的影响引入涡轮榫槽结构的激光冲击强化数值模拟中，通过曲面离散的方法实现曲面激光冲击强化压力的转化与加载，目前相关技术未见报道，本发明弥补了相关研究不足。

附图说明

图1为本发明的一种考虑曲面形状的涡轮榫槽激光冲击强化数值模拟方法实施流程；

图2为本次举例的涡轮榫槽激光冲击强化模拟有限元模型示意图；

图3为本次举例的涡轮榫槽激光冲击强化模拟的残余应力结果。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例，对本发明一种考虑曲面形状的涡轮榫槽激光冲击强化数值模拟方法的技术方案做进一步说明。本实施例的研究材料为镍基高温合金GH4169。

如图1所示，本发明一种考虑曲面形状的涡轮榫槽激光冲击强化数值模拟方法具体实现步骤如下：

根据榫槽模型对称性建立半榫槽模型，并利用高应变率本构模型赋予结构弹塑性材料属性。真实涡轮盘榫槽结构在涡轮盘上分布呈周期性对称，同时单一榫槽结构具有平面对称的特性，因此涡轮榫槽的激光冲击强化模拟仅需要针对半榫槽结构进行。在UG等建模软件中对半榫槽结构进行建模，导入ABAQUS中，并赋予能够反映高应变率情况下应力应变关系的J-C本构模型，其表达式如下：

式中，其中σ_eq为Von-Mises流动应力，A、B、n为反映材料应变硬化特征的参数，m反映了材料的温度软化效应，C反映了应变率的影响，ε_eq为应变，ε/ε₀为无量纲应变率，T^*为无量纲温度。

由于激光冲击强化为冷加工技术，过程中材料温度变化程度极小，因此可忽略温度项的影响，将模型简化为：

欲研究材料GH4169的J-C模型参数为A＝900MPa，B＝1200，C＝0.0092，n＝0.6。给定应变、应变率，可以得到材料的流动应力。

第二步，针对建立的半榫槽模型进行网格划分：针对整体模型直接布种、分网，建立基础粗糙网格；针对激光冲击区域，为保证有限元模拟过程中对高压力、动态加载的求解精度，在冲击表面及一定深度的区域进行网格加密，建立精细网格。针对榫槽几何结构及激光冲击模拟需求，整体网格尺寸设置为0.5mm，局部加密部位为榫槽根齿面部位，表面网格尺寸设置为0.15mm，深度方向尺寸设置为0.1mm，总深度1mm。图2为本次举例的涡轮榫槽激光冲击强化模拟有限元模型示意图。

图3为本次举例的涡轮榫槽激光冲击强化模拟的残余应力结果

第三步，基于有限元网格进行曲面离散，对激光冲击区域表面的曲面结构进行分割，得到大量子曲面的集合，这些曲面足够小，近似转化成平面不会影响整体集合的几何特性，通过对建模所得的inp数据文件进行读取，获取特定单元节点坐标，进一步计算得到离散后平面的中心坐标及法向。具体获取方式通过Python脚本实现，首先在ABAQUS中设置根齿面为一个特征面，导出模型数据。通过对关键词的检索获取特征面单元以及所在面，利用单元体序号得到节点序号，进一步检索得到节点坐标，通过4个坐标计算中心点及平面法向，将数据存入特定文件待用。

第四步：考虑真实榫槽结构在进行激光冲击强化处理的工艺过程情况，利用Fortran语言编写VDLOAD子程序定义激光峰值压力、脉冲宽度、光斑尺寸、搭接率、激光法向、冲击路径，对离散后的平面进行冲击压力计算，并编写程序根据时间关系进行加载。压力计算采用的是Fabbro公式，其表达式如下：

其中α为内能中热能占比；Z为折合声阻抗，单位g/(cm²·s)，通过靶材声阻抗Z₁和约束层声阻抗Z₂计算得到，公式如下：

I₀为激光功率密度，单位GW/cm²，通过激光能量E、脉冲宽度τ、光斑面积S计算得到，公式如下：

通过空间几何关系判断受到冲击的平面，利用激光向量与平面法向计算得到入射角度θ，考虑斜入射激光冲击的功率密度衰减，计算得到小平面所受到的压力P，折算公式如下：

根据真实工艺情况，设置激光峰值压力为5GPa、脉冲宽度12ns、光斑尺寸2.5mm、搭接率0.5、激光法向与轴向夹角41°、冲击路径沿轴向搭接，冲击3个光斑，通过中间重叠区域来反映整体冲击效果。

第五步，基于ABAQUS软件建立有限元模型进行激光冲击强化数值仿真，根据实际榫槽设置边界条件，基于所建立的模型，采用显示直接积分动态分析法计算激光冲击强化过程中材料的弹塑性变形，复制模型，将动态分析结果以预定义场的方式导入，去除材料塑性特性，进行隐式静态分析，得到稳定的激光冲击强化后残余应力场。残余应力分布如图3所示。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (6)

1.一种考虑曲面形状的涡轮榫槽激光冲击强化数值模拟方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤(1)：根据榫槽模型对称性建立半榫槽模型，并利用高应变率本构模型赋予结构弹塑性材料属性；所述榫槽模型对称性是指榫槽在涡轮盘上分布呈周期性对称，同时单一榫槽结构具有平面对称的特性；所述半榫槽模型是指单一榫槽结构关于径向对称的半结构模型，相比完整榫槽模型能够减小后续计算量；所用本构模型反映应变率下材料的应力应变行为；

步骤(2)：针对步骤(1)建立的半榫槽模型进行网格划分，并针对激光冲击区域进行局部网格加密；所述网格划分是指针对整体半榫槽模型直接布种、分网，建立基础粗糙网格；所述网格加密是指针对激光冲击区域，为保证有限元模拟过程中对压力、动态加载的求解精度，在冲击表面及预定深度的区域建立精细网格；

步骤(3)：基于有限元精细网格部分进行曲面离散，将曲面近似成平面集合，并计算平面中心点及法向；所述曲面离散是指对激光冲击区域表面的曲面结构进行分割，得到多个子曲面的集合，这些子曲面近似转化成平面不会影响整体集合的几何特性；所述基于有限元精细网格是指针对步骤(2)中细化的精细网格，基于此进行反映几何特性的曲面离散，保证计算精度、避免计算冗余；

步骤(4)：考虑实际工艺情况，编写子程序定义激光峰值压力、脉冲宽度、光斑尺寸、搭接率、激光法向、冲击路径，对离散后的平面进行冲击压力计算；所述实际工艺情况是指真实榫槽结构在进行激光冲击强化处理的工艺过程情况，包括峰值压力、脉冲宽度、光斑尺寸、搭接率、激光法向、冲击路径，其中峰值压力指激光冲击到平面所产生的等效峰值压力，光斑尺寸是指激光器出口激光尺寸；所述冲击压力计算是指考虑激光入射角度影响、利用压力时空分布曲线及Fabbro公式将激光等效转化为压力；所述子程序是用于对冲击区域每一时刻每一位置分别进行压力定义；

步骤(5)：对步骤(4)中定义具体压力加载的半榫槽模型进行动态分析和静态回弹求解，获取榫槽结构激光冲击强化之后的残余应力场；所述动态分析是指基于前述建立的半榫槽模型，采用显示直接积分动态分析法计算材料弹塑性变形；所述静态回弹是指基于动态分析结果，去除材料塑性特性的隐式静态分析，加速残余应力场的稳定。

2.根据权利要求1所述的一种考虑曲面形状的涡轮榫槽激光冲击强化数值模拟方法，其特征在于：

所述步骤(3)中基于有限元网格的曲面离散方法，相应的离散方法是通过对inp数据文件进行读取，获取曲面表面全部节点的坐标，进一步计算获得所有平面中心及法向。

3.根据权利要求1所述的一种考虑曲面形状的涡轮榫槽激光冲击强化数值模拟方法，其特征在于：

所述步骤(4)中进行的压力加载，利用空间几何关系确定受冲击平面、并考虑激光入射角度进行压力加载定义，以平面集合的方式等效定义曲面所受压力。

4.根据权利要求1所述的一种考虑曲面形状的涡轮榫槽激光冲击强化数值模拟方法，其特征在于：

所述步骤(4)中考虑真实榫槽结构在进行激光冲击强化处理的工艺过程情况，利用Fortran语言编写VDLOAD子程序定义激光峰值压力、脉冲宽度、光斑尺寸、搭接率、激光法向、冲击路径，对离散后的平面进行冲击压力计算，并编写程序根据时间关系进行加载，压力计算采用的是Fabbro公式，其表达式如下：

其中

为等效冲击压力，单位为GPa；α为内能中热能占比；Z为折合声阻抗，单位g/(cm²·s)，通过靶材声阻抗Z₁和约束层声阻抗Z₂计算得到，公式如下：

I₀为激光功率密度，单位GW/cm²，通过激光能量E、脉冲宽度τ、光斑面积S计算得到，公式如下：

通过空间几何关系判断受到冲击的平面，利用激光向量与平面法向进行计算，得到入射角度θ，考虑斜入射激光冲击的功率密度衰减，计算得到子平面所受到的压力P，折算公式如下：

5.根据权利要求1所述的一种考虑曲面形状的涡轮榫槽激光冲击强化数值模拟方法，其特征在于：

所述高应变率是指激光冲击强化过程材料应变率范围为10⁶～10⁸s^-1。

6.根据权利要求1所述的一种考虑曲面形状的涡轮榫槽激光冲击强化数值模拟方法，其特征在于：

在UG建模软件中对半榫槽结构进行建模，导入ABAQUS中，并赋予能够反映高应变率下应力应变关系的J-C本构模型，其表达式如下：

式中，其中σ_eq为流动应力，A、B、n为反映材料应变硬化特征的参数，m反映了材料的温度软化效应，C反映了应变率的影响，ε_eq为应变，ε/ε₀为无量纲应变率，T^*为无量纲温度；

忽略温度项的影响，将模型简化为：

Images