CN114171139A - 压气机叶片选材方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压气机叶片选材方法，包括：步骤一、对压气机叶片选材进行需求分析；步骤二、根据步骤一的需求分析结果确定压气机叶片的多种候选材料；步骤三、计算每种候选材料的选材评价指标值；步骤四、计算获取每种候选材料的权重系数；步骤五、根据每种候选材料的选材评价指标值和候选材料的权重系数，并采用加权平均算法获取每种候选材料的评价值；步骤六、比较多种候选材料的评价值；步骤七、通过仿真或试验的方法对评价值位于前列的一种候选材料或多种候选材料进行对比验证；步骤八、根据评价值和对比验证的结果，确定压气机叶片的选材。应用本发明实施例可提高选材结果的正确性，能够避免片面和盲目地选材。

Description

压气机叶片选材方法

技术领域

本发明涉及材料应用领域，具体涉及一种压气机叶片选材方法。

背景技术

航空发动机设计选材时需要兼顾很多相互冲突、相互制约的功能、性能需求，例如需要在降低油耗、成本以及重量的同时提高性能、寿命和可靠性。选材是航空发动机设计研发过程中一项非常重要的技术工作，选材的合理性将在很大程度上影响发动机的性能、寿命和成本。科学的选材方法是实现物尽其用、合理选材的前提和保证。若要实现科学、合理地选材，设计研发人员就必须充分掌握各种工程材料的特性，在综合考虑材料性能特点的基础上，根据不同零件的结构特点、工作条件、受力状态、失效形式并结合整机设计需求而进行客观、科学的材料选择，使其满足零件及整机的功能、性能需求。其中，科学、规范的选材方法及选材流程尤为重要。

压气机叶片是发动机中的关键零件，其功能重要，载荷复杂。压气机叶片选材的合理性对于发动机的性能和寿命有着重要的影响。设计研发人员需在充分掌握压气机叶片选材需求和各种工程材料特性的基础上，综合考虑材料的使用性、工艺性、经济性、可靠性和可实现性，根据压气机叶片的结构特点、工作条件、受力状态、失效形式并结合整机设计需求而进行客观、科学的材料选择，使选材结果满足零件及整机的功能、性能需求。

但是现有技术中尚未建立完整规范的航空发动机定量选材方法及流程，主要采用经验法或半经验的方法选材。

发明内容

本发明提供了一种压气机叶片选材方法，以达到提高选材结果的合理性与正确性的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种压气机叶片选材方法，包括：步骤一、对压气机叶片选材进行需求分析；步骤二、根据步骤一的需求分析结果确定压气机叶片的多种候选材料；步骤三、计算每种候选材料的选材评价指标值；步骤四、计算获取每种候选材料的权重系数；步骤五、根据每种候选材料的选材评价指标值和候选材料的权重系数，并采用加权平均算法获取每种候选材料的评价值；步骤六、比较多种候选材料的评价值；步骤七、通过仿真或试验的方法对评价值位于前列的一种候选材料或多种候选材料进行对比验证；步骤八、根据评价值和对比验证的结果，确定压气机叶片的选材。

进一步地，步骤一具体为：根据整机设计要求、叶片服役条件和失效模式预估中的一种或者多种组合对压气机叶片选材进行需求分析。

进一步地，步骤二具体为：根据需求分析的结果，查找对应的材料对照表并确定压气机叶片的多种候选材料。

进一步地，步骤三具体为根据矩阵X＝(x_ij)_n×m计算每种候选材料的选材评价指标值，其中i＝1,2,3.....n，j＝1,2,3.....m。

进一步地，步骤四具体为：采用层次分析法计算获取每种候选材料的权重系数，多种候选材料的权重系数分别为w₁,w₂,w₃......w_m。

进一步地，步骤五具体为：建立加权数据矩阵Y＝(y_ij)_n×m＝w_jx_ij，其中i＝1,2,3.....n，j＝1,2,3.....m；根据

获取每种候选材料的评价值。

进一步地，对多种候选材料的评价值按照由大到小的顺序进行排列。

进一步地，步骤七中的对比验证包括对叶片的振动模态、阻尼系数和疲劳强度进行对比验证。

进一步地，步骤八具体为：当评价值最高的候选材料对应的叶片的对比验证结果满足需求时，将评价值最高的候选材料作为压气机叶片的选材；当评价值最高的候选材料对应的叶片的对比验证结果不满足需求时，按照评价值依次对后续的候选材料进行对比验证，直至确定出压气机叶片选材。

进一步地，步骤八后还包括步骤九：对作为压气机的叶片选材的候选材料进行风险评估分析，并制定对应的风险控制措施。

本发明的有益效果是，应用本发明实施例可提高选材结果的正确性，本实施例从需求分析出发，建立完整、全面的评价指标体系和科学、合理的指标权重系数，可提高选材结果的正确性，避免片面和盲目地选材。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的流程示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种压气机叶片选材方法，包括：

步骤一、对压气机叶片选材进行需求分析；

步骤二、根据步骤一的需求分析结果确定压气机叶片的多种候选材料；

步骤三、计算每种候选材料的选材评价指标值；

步骤四、计算获取每种候选材料的权重系数；

步骤五、根据每种候选材料的选材评价指标值和候选材料的权重系数，并采用加权平均算法获取每种候选材料的评价值；

步骤六、比较多种候选材料的评价值；

步骤七、通过仿真或试验的方法对所述评价值位于前列的一种所述候选材料或多种所述候选材料进行对比验证；

步骤八、根据所述评价值和所述对比验证的结果，确定所述压气机叶片的选材。

应用本发明实施例可提高选材结果的正确性，本实施例从需求分析出发，建立完整、全面的评价指标体系和科学、合理的指标权重系数，并通过仿真或者试验验证，可提高选材结果的正确性，避免片面和盲目地选材。

本实施例中步骤一具体为：根据整机设计要求、叶片服役条件、失效模式预估和该发动机中其他零件选材、其他发动机叶片选材中的一种或者多种组合对压气机叶片选材进行需求分析。

上述步骤一中例如叶片服役条件最低为5000h，则5000h这一服役年限就为选材时的一种需求，根据不同需求进行综合统计从而完成步骤一中的需求分析操作。

步骤二具体为：根据需求分析的结果，查找对应的材料对照表并确定压气机叶片的多种候选材料。

以叶片服役条件最低为5000h，在该条件下可以选择出满足服役年限条件的多种材料，在这些材料的基础上进一步进行筛选操作，直至筛选出满足所有条件的多种材料为止，筛选出的上述材料应作为候选材料，且候选材料应为3～6种，每种候选材料的确定均应有明确的依据。

步骤三具体为根据矩阵X＝(x_ij)_n×m计算每种候选材料的选材评价指标值，其中i＝1,2,3.....n，j＝1,2,3.....m。

上述步骤三是为了构建压气机叶片选材评价指标体系。评价指标体系应全面涵盖材料的使用性、工艺性、经济性、可靠性和可实现性等方面，并对各评价指标进行定量化、同向化和无量纲化处理。

进一步地，步骤四具体为：采用层次分析法计算获取每种候选材料的权重系数，多种候选材料的权重系数分别为w₁,w₂,w₃......w_m。

层次分析法是指将一个复杂的多目标决策问题作为一个系统，将目标分解为多个目标或准则，进而分解为多指标(或准则、约束)的若干层次，通过定性指标模糊量化方法算出层次单排序(权数)和总排序，以作为目标(多指标)、多方案优化决策的系统方法。通过层次分析法获取每种候选材料的权重系数，其中权重系数是反应评价指标的相对重要程度，是一个非常关键的参数，对选材结果起着至关重要的作用。

本实施例中，步骤五具体为：

建立加权数据矩阵Y＝(y_ij)_n×m＝w_jx_ij，其中i＝1,2,3.....n，j＝1,2,3.....m；

根据

获取每种候选材料的评价值。

针对所建立的选材评价指标体系和各评价指标的权重系数，开展每种候选材料的评价计算，本实施例中可采用加权平均算法对候选材料进行评价计算，以获取每种候选材料的评价值，评价值分值越高，则材料越优。

对多种候选材料的评价值按照由大到小的顺序进行排列。

步骤七中的对比验证包括对叶片的振动模态、阻尼系数和疲劳强度进行对比验证。本实施例中由于增加验证步骤，能够对材料选材进行多重确认，以使选材更加准确。

所述步骤八具体为：当所述评价值最高的所述候选材料对应的叶片的对比验证结果满足需求时，将评价值最高的所述候选材料作为所述压气机叶片的选材；当所述评价值最高的所述候选材料对应的叶片的对比验证结果不满足需求时，按照所述评价值依次对后续的所述候选材料进行对比验证，直至确定出所述压气机叶片选材。

进一步地，步骤八后还包括步骤九：对作为压气机的叶片选材的候选材料进行风险评估分析，并制定对应的风险控制措施。

在风险评估分析时，若存在风险则必须给出风险控制措施。最终的选材结果除了明确材料牌号以外，还应给出推荐的材料标准/规范以及材料制备的主导工艺等。

在上述步骤后还应给出零件选材的最终结果，包括推荐的材料标准/规范和主导工艺，并给出零件选材是否存在风险的分析结论。

应用本发明进行具体工作时：

某航空发动机对机动性能、耗油率有很高要求，对整机重量有较高要求，对成本控制要求一般，在服役时会接触海洋环境。第五级压气机叶片是该航空发动机的重要零件，工作过程中该叶片高速旋转，对流经的高温空气进行压缩，其长时工作温度约为500℃，最高工作温度接近540℃，工作时承受较高的离心载荷、气动弯矩和振动应力。经调研，其他同类航空发动机的压气机叶片选材主要包括耐热不锈钢、镍基高温合金和钴基高温合金等。

经综合分析，确定第五级压气机叶片的候选材料共5种，分别为1Cr11Ni2W2MoV不锈钢、0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢、GH4169合金、GH605合金、GH2132合金。建立的评价指标包括室温抗拉强度σb，500℃/100h的持久极限σsr，高周疲劳强度σD，材料密度ρ，抗腐蚀能力，材料价格和与其他零件选材的匹配性，共7项。

对评价指标进行定量化、同向化和无量纲化处理后，得到评价指标矩阵X，并确定了各评价指标的权重系数分别为0.16、0.15、0.21、0.12、0.13、0.07、0.16。通过对候选材料进行计算评价，得出选材的排序由高到低依此为：GH4169合金、GH2132合金、0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢、1Cr11Ni2W2MoV不锈钢、GH605合金。

对GH4169合金、GH2132合金、0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢、1Cr11Ni2W2MoV不锈钢、GH605合金进行对比验证，验证结果显示GH4169合金能够满足需求。

因此，该航空发动机第五级压气机叶片的选材应该为GH4169合金。GH4169合金制造压气机叶片的相关技术成熟、性能数据完整、使用经验丰富，不存在风险。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：应用本发明实施例可提高选材结果的正确性，本实施例从需求分析出发，建立完整、全面的评价指标体系和科学、合理的指标权重系数，可提高选材结果的正确性，避免片面和盲目地选材。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。

Claims (10)

1.一种压气机叶片选材方法，其特征在于，包括：

步骤一、对压气机叶片选材进行需求分析；

步骤二、根据所述步骤一的需求分析结果确定所述压气机叶片的多种候选材料；

步骤三、计算每种所述候选材料的选材评价指标值；

步骤四、计算获取每种所述候选材料的权重系数；

步骤五、根据每种所述候选材料的选材评价指标值和所述候选材料的权重系数，并采用加权平均算法获取每种所述候选材料的评价值；

步骤六、比较多种所述候选材料的所述评价值；

步骤七、通过仿真或试验的方法对所述评价值位于前列的一种所述候选材料或多种所述候选材料进行对比验证；

步骤八、根据所述评价值和所述对比验证的结果，确定所述压气机叶片的选材。

2.根据权利要求1所述的压气机叶片选材方法，其特征在于，所述步骤一具体为：根据整机设计要求、叶片服役条件和失效模式预估中的一种或者多种组合对压气机叶片选材进行需求分析。

3.根据权利要求1所述的压气机叶片选材方法，其特征在于，所述步骤二具体为：根据所述需求分析的结果，查找对应的材料对照表并确定所述压气机叶片的多种候选材料。

4.根据权利要求1所述的压气机叶片选材方法，其特征在于，所述步骤三具体为根据矩阵X＝(x_ij)_n×m计算每种所述候选材料的选材评价指标值，其中i＝1,2,3.....n，j＝1,2,3.....m。

5.根据权利要求4所述的压气机叶片选材方法，其特征在于，所述步骤四具体为：采用层次分析法计算获取每种所述候选材料的权重系数，多种所述候选材料的权重系数分别为w₁,w₂,w₃......w_m。

6.根据权利要求5所述的压气机叶片选材方法，其特征在于，所述步骤五具体为：

建立加权数据矩阵Y＝(y_ij)_n×m＝w_jx_ij，其中i＝1,2,3.....n，j＝1,2,3.....m；

根据

获取每种所述候选材料的评价值。

7.根据权利要求6所述的压气机叶片选材方法，其特征在于，对多种所述候选材料的评价值按照由大到小的顺序进行排列。

8.根据权利要求7所述的压气机叶片选材方法，其特征在于，所述步骤七中的所述对比验证包括对叶片的振动模态、阻尼系数和疲劳强度进行对比验证。

9.根据权利要求8所述的压气机叶片选材方法，其特征在于，所述步骤八具体为：

当所述评价值最高的所述候选材料对应的叶片的对比验证结果满足需求时，将评价值最高的所述候选材料作为所述压气机叶片的选材；

当所述评价值最高的所述候选材料对应的叶片的对比验证结果不满足需求时，按照所述评价值依次对后续的所述候选材料进行对比验证，直至确定出所述压气机叶片选材。

10.根据权利要求1所述的压气机叶片选材方法，其特征在于，所述步骤八后还包括步骤九：对作为压气机的叶片选材的候选材料进行风险评估分析，并制定对应的风险控制措施。

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