CN113505506A - 一种轮盘危险部位裂纹扩展模拟件设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轮盘危险部位裂纹扩展模拟件设计方法，步骤为：(1)获取轮盘的几何模型；(2)计算获得轮盘在工况条件下的应力数据；(3)计算得到危险点的临界裂纹尺寸深度值；(4)设计轮盘危险部位裂纹扩展模拟件；(5)利用裂纹扩展分析软件计算步骤(4)设计的模拟件标距段的临界裂纹尺寸，给定的初始裂纹尺寸和裂纹扩展模型参数应与步骤(3)中的保持一致；(6)模拟件标距段设计完成后，根据模拟件计算结果确定其试验载荷，并在两端光滑连接上夹持段，夹持段和过渡连接段尺寸参数应在合理的范围内，以保证试件裂纹扩展发生在标距段缺口处。本发明设计的裂纹扩展模拟件能够模拟轮盘危险部位的应力梯度和临界裂纹尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及一种针对航空发动机轮盘危险部位裂纹扩展模拟件的设计法，属于航空航天发动机技术领域。
背景技术
航空发动机轮盘是承力关键件，其复杂的结构特征和恶劣的工作环境会导致局部区域存在应力过大的现象，这些应力较大的区域称之为轮盘危险部位，包括盘心、榫槽和各种孔、槽等。为了对发动机轮盘进行损伤容限设计，需要对上述所说轮盘危险部位进行裂纹扩展寿命评估。由于实际轮盘裂纹扩展试验比较复杂，周期长，成本高，因此试验量一般较少，从而难以得到可靠的裂纹扩展寿命。为了解决这一问题，工程中采用多子样模拟试验件进行裂纹扩展试验，将试验结果并与实际轮盘裂纹扩展试验结果对比分析，从而得到可靠的轮盘裂纹扩展寿命。
中国专利CN201810797101.4《一种离心叶轮中心孔裂纹扩展特征模拟件设计方法》、CN201810798013.6《一种离心叶轮凸台裂纹扩展特征模拟件设计方法》、CN201810808785.3《一种涡轮盘榫槽裂纹扩展模拟件设计方法》等针对发动机轮盘各关键部位设计了裂纹扩展模拟件，其模拟件的设计仅考虑了危险部位的应力应变分布，而未考虑临界裂纹尺寸是否一致的问题，设计的裂纹扩展模拟件仅是为了模拟应力集中部位前期的裂纹扩展行为，而并未完全覆盖危险部位裂纹扩展的全过程，从而无法模拟危险部位的裂纹扩展寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种轮盘危险部位裂纹扩展模拟件设计方法，以充分反映轮盘危险部位的应力集中、应力梯度和临界裂纹尺寸。
一种轮盘危险部位裂纹扩展模拟件设计方法，包括以下步骤：
(1)获取轮盘的几何模型，轮盘所用的材料性能参数，以及轮盘典型工况条件；
(2)建立轮盘有限元静力分析模型，计算获得轮盘在工况条件下的应力数据，包括危险部位的危险点即第一主应力最大点的第一主应力值，和以该危险点为起点沿第一主应力梯度路径直到几何边界的第一主应力梯度，将得到的第一主应力梯度关于第一主应力值进行归一化处理；
(3)利用裂纹扩展分析软件，设在危险点存在初始裂纹，给定材料的裂纹扩展模型参数，计算得到危险点的临界裂纹尺寸深度值，该尺寸表示裂纹在深度方向的尺寸；
(4)以单边缺口平板为模拟件标距段基本形状，以沿模拟件长度方向的单轴拉伸加载为载荷形式，设计轮盘危险部位裂纹扩展模拟件；
(5)利用裂纹扩展分析软件计算步骤(4)设计的模拟件标距段的临界裂纹尺寸，给定的初始裂纹尺寸和裂纹扩展模型参数应与步骤(3)中的保持一致，若计算的临界裂纹尺寸与危险部位一致，则进入下一步，否则调整缺口平板的厚度和宽度，重复步骤(4)和步骤(5)；
(6)模拟件标距段设计完成后，根据模拟件计算结果确定其试验载荷，并在两端光滑连接上夹持段，夹持段和过渡连接段尺寸参数应在合理的范围内，以保证试件裂纹扩展发生在标距段缺口处。
所述步骤(1)中，几何模型为借助计算机辅助设计软件设计得到的离心叶轮三维几何模型；材料性能参数包括材料的密度、弹性模量、泊松比、线膨胀系数、热传导系数，材料性能参数通过材料性能测试或材料数据手册获取，对于随温度变化的材料性能参数，给出多组温度下的材料性能参数，所取温度范围需将轮盘工作温度场中的最大值与最小值包含在内；轮盘典型工况条件包括轮盘的工作温度场和工作转速以及气动载荷，其中工作温度场通过传热分析或实际测量获取，工作转速通过计算或实际测量获取，气动载荷通过气动分析或实际测量获取。
所述步骤(2)中，获取第一主应力梯度的具体步骤为：导出应力等值线图，以第一主应力最大点为圆心作圆，与距离第一主应力最大点最近的应力等值线相切，切点即为应力梯度路径上的一点，再以该切点为圆心作圆，与下一条应力等值线相切，得到的切点为下一个在应力梯度路径上的点，以此类推，最终依次平滑连接这些切点，得到应力梯度路径；在该应力梯度路径上均匀地拾取若干点，导出各点的应力值，得到第一主应力梯度。
所述步骤(4)中，基于步骤(3)得到的临界裂纹尺寸，估计缺口平板的厚度和宽度；建立模拟件的有限元分析模型，计算获得模拟件上以第一主应力最大点为起点，沿应力梯度路径，距离为临界裂纹尺寸的应力梯度，并将该应力梯度关于最大应力归一化处理；通过不断调整模拟件标距段平板的缺口半径和缺口深度，使得模拟件上以第一主应力最大点为起点，沿应力梯度路径，距离为临界裂纹尺寸的应力梯度与轮盘危险部位应力梯度保持一致。
所述步骤(6)中，计算施加在模拟件上的载荷与产生的最大应力的比例关系，根据该比例关系推算产生与实际构件相同的最大应力所需的模拟件载荷。
本发明与现有技术有益效果在于：本发明的一种轮盘危险部位裂纹扩展模拟件设计方法，结合轮盘静力分析和裂纹扩展分析结果，设计能够反映轮盘危险部位应力特征和裂纹扩展特征的裂纹扩展模拟件，实现了在实验室条件下模拟真实结构的裂纹扩展行为。
现有专利CN201810797101.4《一种离心叶轮中心孔裂纹扩展特征模拟件设计方法》、CN201810798013.6《一种离心叶轮凸台裂纹扩展特征模拟件设计方法》、CN201810808785.3《一种涡轮盘榫槽裂纹扩展模拟件设计方法》等针对发动机轮盘各关键部位设计了裂纹扩展模拟件，其模拟件的设计仅考虑了危险部位的应力应变分布，而未考虑临界裂纹尺寸是否一致的问题，设计的裂纹扩展模拟件仅是为了模拟应力集中部位前期的裂纹扩展行为，而并未完全覆盖危险部位裂纹扩展的全过程，从而无法模拟危险部位的裂纹扩展寿命。
本发明根据轮盘危险部位的应力分布状态，设计了以单边缺口平板为标距段的裂纹扩展模拟件，模拟了轮盘危险部位的应力梯度和临界裂纹尺寸，使模拟件可以用于模拟轮盘危险部位的裂纹扩展寿命。
附图说明
图1为本发明的轮盘危险部位裂纹扩展模拟件设计方法流程图；
图2为危险部位实例有限元应力分布云图；
图3为危险部位实例应力梯度获取方法示意图；
图4为危险部位实例应力梯度曲线；
图5为模拟件标距段参数化模型，(a)R>D，(b)R<D；
图6为模拟件实例有限元应力分布云图；
图7为模拟件实例与实际构件应力梯度曲线对比图；
图8为模拟件实例最终工程图纸。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本发明的一种轮盘危险部位裂纹扩展模拟件设计方法，包括以下步骤：
(1)获取轮盘的几何模型，轮盘所用的材料性能参数，以及轮盘典型工况条件。
(2)根据步骤(2)给出的已知条件，建立轮盘有限元静力分析模型，计算获得轮盘在工况条件下的应力数据。
(3)利用裂纹扩展分析软件，设在危险点存在一定尺寸的初始裂纹，如半径为0.39mm的半圆表面裂纹，给定材料的裂纹扩展模型参数，如最简单的Paris模型，计算得到危险部位的临界裂纹尺寸，即构件经裂纹扩展最终断裂时的尺寸，该尺寸表示裂纹在深度方向的尺寸。
(4)以单边缺口平板为模拟件标距段基本形状，以沿模拟件长度方向的单轴拉伸加载为载荷形式，设计轮盘危险部位裂纹扩展模拟件。
(5)利用裂纹扩展分析软件计算步骤(4)中设计的模拟件标距段的临界裂纹尺寸，给定的初始裂纹尺寸和裂纹扩展模型参数应与步骤(3)中的保持一致，若计算的临界裂纹尺寸与危险部位一致，则进入下一步，否则调整缺口平板的厚度和宽度，重复步骤(4)和步骤(5)。
(6)模拟件标距段设计完成后，根据模拟件计算结果确定其试验载荷，然后在两端光滑连接上夹持段，夹持段和过渡连接段尺寸参数应在合理的范围内，以保证试件裂纹扩展发生在标距段缺口处。例如，试样夹持部分的截面积与试样最小截面积之比不得小于3，过渡连接段的应力集中系数不得大于缺口的应力集中系数。
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例
第一步，获取轮盘的几何模型，轮盘所用的材料性能参数，以及轮盘典型工况条件(如发动机设计点)。几何模型指借助计算机辅助设计软件，按照实际工程需求设计完成的离心叶轮三维几何模型。所述材料参数包括材料的密度、弹性模量、泊松比、线膨胀系数、热传导系数等，这些参数可通过材料性能测试或材料数据手册获取。对于随温度变化的材料参数，给出多组温度下的材料参数，所取温度范围需将轮盘工作温度场中的最大值与最小值包含在内。所述轮盘典型工况条件包括轮盘的工作温度场和工作转速以及气动载荷等，其中工作温度场可通过传热分析或实际测量获取，工作转速可通过计算或实际测量获取，气动载荷可通过气动分析或实际测量获取。
第二步，根据第一步给出的已知条件，建立轮盘有限元静力分析模型，计算获得轮盘在工况条件下的应力数据。所述应力数据包括危险部位在危险点，即第一主应力最大点的第一主应力值，和以该点为起点沿第一主应力梯度路径直到几何边界的第一主应力梯度，将得到的应力梯度关于最大应力进行归一化处理。应力梯度通过图像处理方法，手动拾取若干点的应力值来获取。具体步骤为：导出应力等值线图，以应力最大点为圆心作圆，与距离应力最大点最近的应力等值线相切，切点即为应力梯度路径上的一点，再以该切点为圆心作圆，与下一条应力等值线相切，得到的切点为下一个在应力梯度路径上的点，以此类推，最终依次平滑连接这些切点即可得到应力梯度路径。得到应力梯度路径后，在该路径上均匀地拾取若干点，导出各点的应力值，即可得到应力梯度。在该例中，计算获得了轮盘危险部位榫槽的第一主应力分布云图如图2所示，最大第一主应力为1220.2MPa，将应力云图导出到作图软件，通过作图处理得到应力梯度路径如图3所示，在该路径选取若干点，导出各点的应力值，并关于最大第一主应力作归一化处理，得到的应力梯度如图4所示。
第三步，利用裂纹扩展分析软件，假设在危险点存在一定尺寸的初始裂纹，如半径为0.39mm的半圆表面裂纹，给定材料的裂纹扩展模型参数，如最简单的Paris模型，计算得到危险部位的临界裂纹尺寸，即构件经裂纹扩展最终断裂时的尺寸，该尺寸表示裂纹在深度方向的尺寸。在该例中，使用Nasgro软件，将实际结构简化为单边缺口平板，赋予中间截面实际结构的应力分布，计算得到临界裂纹尺寸为3.5mm。
第四步，如图5所示，以单边缺口平板为模拟件标距段基本形状，以沿模拟件长度方向的单轴拉伸加载为载荷形式，设计轮盘危险部位裂纹扩展模拟件。定义模拟件受拉伸方向为长度方向，L为模拟件标距段长度；模拟件中央部位圆弧圆心到圆弧底部连线为宽度方向，W为模拟件标距段宽度；B为模拟件标距段厚度；R为缺口半径；D为缺口深度。若缺口半径大于缺口深度，则模拟件标距段形状为图5(a)的形式，否则为图5(b)的形式。基于第三步得到的临界裂纹尺寸，估计缺口平板的厚度和宽度。为了使模拟件的临界裂纹尺寸与实际结构保持一致，初始预估的缺口平板宽度为临界裂纹尺寸的三倍，厚度为宽度的两倍，为了保证模拟件标距应力分布的均匀性，标距段长度至少为厚度加宽度的和。接着建立模拟件的有限元分析模型，计算获得模拟件上以第一主应力最大点为起点，沿应力梯度路径，距离为临界裂纹尺寸的应力梯度，并将该应力梯度关于最大应力归一化处理。然后通过不断调整平板的缺口半径和缺口深度，反复对模拟件进行有限元计算，使得模拟件的归一化应力梯度与第二步中获得的危险部位归一化应力梯度保持一致。在该例中，根据实际构件初始裂纹尺寸，初步估计模拟件标距段宽度W和厚度B分别为10mm和20mm，标距段长度为30mm。经有限元计算和尺寸优化后得到缺口半径R和缺口深度D分别为1.8mm和2.5mm。
第五步，利用裂纹扩展分析软件计算第四步中设计的模拟件标距段的临界裂纹尺寸，给定的初始裂纹尺寸和裂纹扩展模型参数应与第三步中的保持一致，若计算的临界裂纹尺寸与危险部位一致，则进入下一步，否则调整缺口平板的厚度和宽度，重复第四步和第五步。在该例中，用Nasgro计算得到的模拟件临界裂纹长度为3.5mm，与实际构件的临界裂纹长度一致，模拟件标距段设计完成，最终微调后的模拟件标距段尺寸参数为：L＝44mm,W＝10mm,B＝20mm,R＝1.8mm,D＝2.5mm，模拟件的第一主应力分布云图如图6所示，归一化的应力梯度与实际构件保持一致，如图7所示。
第六步，模拟件标距段设计完成后，根据模拟件计算结果确定其试验载荷，并在两端光滑连接上夹持段，夹持段和过渡连接段尺寸参数应在合理的范围内，以保证试件裂纹扩展发生在标距段缺口处。在该例中，两端施加20kN的力产生的最大应力为500.2MPa，根据比例关系易得要产生与实际构件相同的最大应力1220.2MPa，需施加的模拟件载荷为48.79kN。该例中，模拟件两端采用螺纹连接，最终设计的模拟件图纸如图8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 (5)
1.一种轮盘危险部位裂纹扩展模拟件设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)获取轮盘的几何模型，轮盘所用的材料性能参数，以及轮盘典型工况条件；
(2)建立轮盘有限元静力分析模型，计算获得轮盘在工况条件下的应力数据，包括危险部位的危险点即第一主应力最大点的第一主应力值，和以该危险点为起点沿第一主应力梯度路径直到几何边界的第一主应力梯度，将得到的第一主应力梯度关于第一主应力值进行归一化处理；
(3)利用裂纹扩展分析软件，设在危险点存在初始裂纹，给定材料的裂纹扩展模型参数，计算得到危险点的临界裂纹尺寸深度值，该尺寸表示裂纹在深度方向的尺寸；
(4)以单边缺口平板为模拟件标距段基本形状，以沿模拟件长度方向的单轴拉伸加载为载荷形式，设计轮盘危险部位裂纹扩展模拟件；
(5)利用裂纹扩展分析软件计算步骤(4)设计的模拟件标距段的临界裂纹尺寸，给定的初始裂纹尺寸和裂纹扩展模型参数应与步骤(3)中的保持一致，若计算的临界裂纹尺寸与危险部位一致，则进入下一步，否则调整缺口平板的厚度和宽度，重复步骤(4)和步骤(5)；
(6)模拟件标距段设计完成后，根据模拟件计算结果确定其试验载荷，并在两端光滑连接上夹持段，夹持段和过渡连接段尺寸参数应在合理的范围内，以保证试件裂纹扩展发生在标距段缺口处。
2.根据权利要求1所述的轮盘危险部位裂纹扩展模拟件设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中，几何模型为借助计算机辅助设计软件设计得到的离心叶轮三维几何模型；材料性能参数包括材料的密度、弹性模量、泊松比、线膨胀系数、热传导系数，材料性能参数通过材料性能测试或材料数据手册获取，对于随温度变化的材料性能参数，给出多组温度下的材料性能参数，所取温度范围需将轮盘工作温度场中的最大值与最小值包含在内；轮盘典型工况条件包括轮盘的工作温度场和工作转速以及气动载荷，其中工作温度场通过传热分析或实际测量获取，工作转速通过计算或实际测量获取，气动载荷通过气动分析或实际测量获取。
3.根据权利要求1所述的轮盘危险部位裂纹扩展模拟件设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中，获取第一主应力梯度的具体步骤为：导出应力等值线图，以第一主应力最大点为圆心作圆，与距离第一主应力最大点最近的应力等值线相切，切点即为应力梯度路径上的一点，再以该切点为圆心作圆，与下一条应力等值线相切，得到的切点为下一个在应力梯度路径上的点，以此类推，最终依次平滑连接这些切点，得到应力梯度路径；在该应力梯度路径上均匀地拾取若干点，导出各点的应力值，得到第一主应力梯度。
4.根据权利要求1所述的轮盘危险部位裂纹扩展模拟件设计方法，其特征在于：所述步骤(4)中，基于步骤(3)得到的临界裂纹尺寸，估计缺口平板的厚度和宽度；建立模拟件的有限元分析模型，计算获得模拟件上以第一主应力最大点为起点，沿应力梯度路径，距离为临界裂纹尺寸的应力梯度，并将该应力梯度关于最大应力归一化处理；通过不断调整模拟件标距段平板的缺口半径和缺口深度，使得模拟件上以第一主应力最大点为起点，沿应力梯度路径，距离为临界裂纹尺寸的应力梯度与轮盘危险部位应力梯度保持一致。
5.根据权利要求1所述的轮盘危险部位裂纹扩展模拟件设计方法，其特征在于：所述步骤(6)中，计算施加在模拟件上的载荷与产生的最大应力的比例关系，根据该比例关系推算产生与实际构件相同的最大应力所需的模拟件载荷。
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