CN114330055A - 基于转子稳态变形假设的盘轴一体转子破裂转速预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于转子稳态变形假设的盘轴一体转子破裂转速预测方法，包括以下步骤：(1)对转子材料按方向取样，试验获取不同方向上的材料本构模型参数，定义材料参数；(2)建立转子的1/n三维模型，进行循环对称约束，并进行网格划分，得到转子1/n有限元模型；(3)针对需要计算的转子1/n有限元模型，施加约束及转速载荷；(4)采用弧长法进行大变形非线性有限元计算；(5)计算完成后，按子步读取结果，检查计算有效性；(6)在时间后处理器中获得转速‑叶尖径向位移曲线，获得转子的最大稳态转速，该最大稳态转速即为破裂转速。本发明提高了盘轴一体转子破裂转速预测的准确性。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机轮盘设计技术领域，特别涉及一种盘轴一体转子破裂转速预测方法。
背景技术
航空发动机空气涡轮起动机是航空发动机的安全运行保险，而盘轴一体转子是的空气涡轮转子是最重要的部件之一。空气涡轮起动机的盘轴一体转子测试、工作时，会短暂进入超转状态，为确保空气涡轮起动机的安全，确保发动机和飞机的正常服役，对于其转子的强度(破裂转速)性能具有严格的要求和规定。
破裂转速分析是现代航空发动机轮盘强度设计的重要内容之一。但与航空发动机空心轮盘不同，空气涡轮转子为盘轴一体转子，其应力分布及破裂形式都与航空发动机空心轮盘有所不同。工程实践表明传统方法(如平均应力法)等轮盘破裂预测方法不能满足盘轴一体转子的工程设计需要，预测精度无法保证。因此，对于盘轴一体转子，有必要研究和建立与盘轴一体转子结构应力特征相匹配的破裂转速计算方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于转子稳态变形假设的盘轴一体转子破裂转速预测方法，以解决现有预测方法在预测盘轴一体转子破裂转速预测精度方面的不足的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于转子稳态变形假设的盘轴一体转子破裂转速预测方法，包括以下步骤：
(1)对转子毛坯进行弦向和径向取样，采用平均拉伸性能建立转子材料的多线性本构模型参数，定义材料参数；
(2)建立转子的1/n三维模型，进行循环对称约束，并进行网格划分，得到转子1/n有限元模型；
(3)针对需要计算的转子1/n有限元模型，施加约束及转速载荷；
(4)采用弧长法进行大变形非线性有限元计算；
(5)计算完成后，按子步读取结果，检查计算有效性；
(6)在时间后处理器中获得转速-叶尖径向位移曲线，获得转子的最大稳态转速，该最大稳态转速即为破裂转速。
所述步骤(2)中，建立的转子1/n有限元模型，n为盘轴一体转子叶片数量。
所述步骤(2)中，进行网格划分时，需针对叶片前后缘及叶片与盘体连接处倒角部位进行局部网格细化，盘轴部分网格尺寸需保持均匀一致。
所述步骤(3)中，需对转子1/n有限元模型，盘轴部分分割面上的节点进行周向约束，叶片及与盘缘连接部分不进行周向约束。
所述步骤(3)中，对转子1/n有限元模型施加一个大于轮盘破裂转速估算值的转速载荷。
所述步骤(4)中，求解器设置采用弧长法进行大变形非线性有限元计算，并设置盘轴一体转子有限元模型任意一节点位移到达某一数值作为迭代计算的停止条件，该数值应略大于转子破裂前叶片尖端径向位移的估计值。
所述步骤(4)中，设置计算结束时Time值为1，并设置子步数并根据设定的频次记录子步结果。
所述步骤(5)中，检查子步中最大Time是否出现在中间子步，如最大Time值出现在最后子步或过于靠近最后子步，需提高步骤(4)中迭代计算停止条件的位移数值，再重新计算。
所述步骤(6)中，在时间后处理器中读取叶尖节点的转速-径向位移曲线，其曲线最大值即为转子的最大稳态转速。
有益效果：本发明提供的一种基于转子稳态变形假设的盘轴一体转子破裂转速预测方法，提高了盘轴一体转子破裂转速预测的准确性。采用循环对称约束，解决了建立1/n转子模型会对盘轴一体转子叶片造成分割，无法进行周向约束的问题。
附图说明
图1是模拟轮盘试样图；
图2是力学性能测试取样方位图；
图3是拉伸应力-应变曲线试验结果曲线；
图4是拉伸工程应力-应变曲线和真应力-应变曲线；
图5是有限元模型及网格划分示意图；
图6是转速(角速度)-轮盘径向位移曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
本发明的一种基于转子稳态变形假设的盘轴一体转子破裂转速预测方法，包括以下步骤：
(1)对转子毛坯进行弦向和径向取样，采用平均拉伸性能建立转子材料的多线性本构模型参数，定义材料参数。
(2)建立转子的1/n三维模型，进行循环对称约束，并进行网格划分，得到转子1/n有限元模型；
其中，建立的转子1/n有限元模型，n为盘轴一体转子叶片数量，目的在于降低计算成本；进行网格划分时，需针对叶片前后缘及叶片与盘体连接处倒角部位进行局部网格细化，盘轴部分网格尺寸需保持均匀一致。
(3)针对需要计算的转子1/n有限元模型，施加约束及转速载荷；
其中，需对转子1/n有限元模型，盘轴部分分割面上的节点进行周向约束，叶片及与盘缘连接部分不进行周向约束；对转子1/n有限元模型施加一个大于轮盘破裂转速估算值的转速载荷，如1.5ωes或2ωes。
(4)采用弧长法进行大变形非线性有限元计算；
其中，求解器设置采用弧长法进行大变形非线性有限元计算，并设置盘轴一体转子有限元模型任意一节点位移到达某一数值作为迭代计算的停止条件，该数值应略大于转子破裂前叶片尖端径向位移的估计值；设置计算结束时Time值为1，并设置子步数并根据设定的频次记录子步结果。
(5)计算完成后，按子步读取结果，检查计算有效性；
其中，检查子步中最大Time是否出现在中间子步，如最大Time值出现在最后子步或过于靠近最后子步，需提高步骤(4)中迭代计算停止条件的位移数值，再重新计算。
(6)在时间后处理器中获得转速-叶尖径向位移曲线，获得转子的最大稳态转速，该最大稳态转速即为破裂转速；
其中，在时间后处理器中读取叶尖节点的转速-径向位移曲线，其曲线最大值即为转子的最大稳态转速。
下面根据具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例：
本实施例以某TC4盘轴一体转子为例，在室温条件下对该盘轴一体转子的破裂转速进行预测。盘轴一体转子的有限元模型如图1所示。
(1)为准确预测该盘轴一体转子的破裂转速，需要从盘轴一体转子毛坯锻件上进行弦向和径向取样，测试其力学性能和准静态拉伸应力-应变曲线，即材料的工程应力应变曲线。对取样试验数据进行平均处理，获得材料的平均拉伸性能。弦向和径向取样示例，如图2所示。取样随粗加工后的毛坯盘同炉热处理。准静态拉伸试验应参照相应国家标准进行。
盘轴一体转子毛坯材料平均拉伸性能(工程应力-应变)如图3所示。由真应力-真应变转化公式转化为真应力-真应变曲线，如图4所示。变换公式如下：
其中，σE表示工程应力，εE表示工程应变，σT表示真应力，εT表示真应变。
根据真应力-真应变曲线拟合的多线性本构模型结果如下：
表1TC4多线性本构模型参数
(2)建立了转子1/26三维模型，导入ansys中对建立的1/26转子进行循环对称约束，并进行有限元分网，建立了转子1/26有限元模型。有限元模型如图5所示。
(3)对有限元模型施加约束和转速载荷，本例中施加载荷为20000rad/s。
(4)求解器设置采用弧长法进行大变形非线性有限元计算，指定载荷步末的时间为1，设置载荷步数为1000步，每2步记录一次数据，计算时设置为转子任意节点位移到达5mm作为迭代计算的停止条件。
(5)计算完成后，读取各子步对应Time值，若发现子步中最大Time值出现在中间子步，则计算有效。
(6)在时间后处理器中读取叶尖节点的转速-径向位移曲线，其曲线最大值即为转子的最大稳态转速(即破裂转速)，本例中转速-叶尖径向位移曲线如图6所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于转子稳态变形假设的盘轴一体转子破裂转速预测方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)对转子毛坯进行弦向和径向取样，采用平均拉伸性能建立转子材料的多线性本构模型参数，定义材料参数；
(2)建立转子的1/n三维模型，进行循环对称约束，并进行网格划分，得到转子1/n有限元模型；
(3)针对需要计算的转子1/n有限元模型，施加约束及转速载荷；
(4)采用弧长法进行大变形非线性有限元计算；
(5)计算完成后，按子步读取结果，检查计算有效性；
(6)在时间后处理器中获得转速-叶尖径向位移曲线，获得转子的最大稳态转速，该最大稳态转速即为破裂转速。
2.根据权利要求1所述的基于转子稳态变形假设的盘轴一体转子破裂转速预测方法，其特征在于：所述步骤(2)中，建立的转子1/n有限元模型，n为盘轴一体转子叶片数量。
3.根据权利要求1所述的基于转子稳态变形假设的盘轴一体转子破裂转速预测方法，其特征在于：所述步骤(2)中，进行网格划分时，需针对叶片前后缘及叶片与盘体连接处倒角部位进行局部网格细化，盘轴部分网格尺寸需保持均匀一致。
4.根据权利要求1所述的基于转子稳态变形假设的盘轴一体转子破裂转速预测方法，其特征在于：所述步骤(3)中，需对转子1/n有限元模型，盘轴部分分割面上的节点进行周向约束，叶片及与盘缘连接部分不进行周向约束。
5.根据权利要求1所述的基于转子稳态变形假设的盘轴一体转子破裂转速预测方法，其特征在于：所述步骤(3)中，对转子1/n有限元模型施加一个大于轮盘破裂转速估算值的转速载荷。
6.根据权利要求1所述的基于转子稳态变形假设的盘轴一体转子破裂转速预测方法，其特征在于：所述步骤(4)中，求解器设置采用弧长法进行大变形非线性有限元计算，并设置盘轴一体转子有限元模型任意一节点位移到达某一数值作为迭代计算的停止条件，该数值应大于转子破裂前叶片尖端径向位移的估计值。
7.根据权利要求1所述的基于转子稳态变形假设的盘轴一体转子破裂转速预测方法，其特征在于：所述步骤(4)中，设置计算结束时Time值为1，并设置子步数并根据设定的频次记录子步结果。
8.根据权利要求1所述的基于转子稳态变形假设的盘轴一体转子破裂转速预测方法，其特征在于：所述步骤(5)中，检查子步中最大Time是否出现在中间子步，如最大Time值出现在最后子步或过于靠近最后子步，需提高步骤(4)中迭代计算停止条件的位移数值，再重新计算。
9.根据权利要求1所述的基于转子稳态变形假设的盘轴一体转子破裂转速预测方法，其特征在于：所述步骤(6)中，在时间后处理器中读取叶尖节点的转速-径向位移曲线，其曲线最大值即为转子的最大稳态转速。
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| CN (1) | CN114330055B (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114611370A (zh) * | 2022-05-11 | 2022-06-10 | 中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司 | 预测转子超转破裂转速及破裂模式的方法及转子构型方法 |
| CN115438553A (zh) * | 2022-10-24 | 2022-12-06 | 中国航发四川燃气涡轮研究院 | 圆弧端齿结构转子破裂转速评估方法 |
| CN116244865A (zh) * | 2023-05-11 | 2023-06-09 | 陕西空天信息技术有限公司 | 轴流式叶轮有限元建模的方法、装置及计算机存储介质 |
| CN117556676A (zh) * | 2024-01-11 | 2024-02-13 | 中国航发四川燃气涡轮研究院 | 基于二维有限元模型的双辐板涡轮盘破裂转速预测方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106446367A (zh) * | 2016-09-09 | 2017-02-22 | 南京航空航天大学 | 基于弧长法非线性有限元分析的轮盘破裂转速预测方法 |
| CN107977536A (zh) * | 2017-12-25 | 2018-05-01 | 南京航空航天大学 | 一种轮盘超转试验转接盘优化设计方法 |
| CN108875198A (zh) * | 2018-06-13 | 2018-11-23 | 株洲时代新材料科技股份有限公司 | 一种基于流体有限元的大变形弹性体产品静刚度计算方法 |
| CN109543213A (zh) * | 2018-10-10 | 2019-03-29 | 南京航空航天大学 | 一种非等温轮盘破裂转速的简化预测方法 |
| CN113158511A (zh) * | 2021-03-18 | 2021-07-23 | 南京航空航天大学 | 一种考虑表面粗糙度的微动疲劳寿命预测模型及方法 |
| CN113779826A (zh) * | 2021-08-17 | 2021-12-10 | 北京化工大学 | 一种动载滑动轴承瞬态与时滞变形交替耦合作用的混合润滑模型建模方法 |
-
2021
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106446367A (zh) * | 2016-09-09 | 2017-02-22 | 南京航空航天大学 | 基于弧长法非线性有限元分析的轮盘破裂转速预测方法 |
| CN107977536A (zh) * | 2017-12-25 | 2018-05-01 | 南京航空航天大学 | 一种轮盘超转试验转接盘优化设计方法 |
| CN108875198A (zh) * | 2018-06-13 | 2018-11-23 | 株洲时代新材料科技股份有限公司 | 一种基于流体有限元的大变形弹性体产品静刚度计算方法 |
| CN109543213A (zh) * | 2018-10-10 | 2019-03-29 | 南京航空航天大学 | 一种非等温轮盘破裂转速的简化预测方法 |
| CN113158511A (zh) * | 2021-03-18 | 2021-07-23 | 南京航空航天大学 | 一种考虑表面粗糙度的微动疲劳寿命预测模型及方法 |
| CN113779826A (zh) * | 2021-08-17 | 2021-12-10 | 北京化工大学 | 一种动载滑动轴承瞬态与时滞变形交替耦合作用的混合润滑模型建模方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| N. HIROSHIMA: ""Stiffness degradation effects on disk-shaft connection behavior of a three-dimensionally carbon-fiber-reinforced composite rotating disk"", 《COMPOSITE STRUCTURES》, vol. 234, 11 November 2019 (2019-11-11), pages 111660, XP086035464, DOI: 10.1016/j.compstruct.2019.111660 * |
| 刘华翔: ""轮盘强度与寿命预测研究"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技II辑》, no. 2015, 15 February 2015 (2015-02-15), pages 031 - 230 * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114611370A (zh) * | 2022-05-11 | 2022-06-10 | 中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司 | 预测转子超转破裂转速及破裂模式的方法及转子构型方法 |
| CN115438553A (zh) * | 2022-10-24 | 2022-12-06 | 中国航发四川燃气涡轮研究院 | 圆弧端齿结构转子破裂转速评估方法 |
| CN116244865A (zh) * | 2023-05-11 | 2023-06-09 | 陕西空天信息技术有限公司 | 轴流式叶轮有限元建模的方法、装置及计算机存储介质 |
| CN116244865B (zh) * | 2023-05-11 | 2023-08-15 | 陕西空天信息技术有限公司 | 轴流式叶轮有限元建模的方法、装置及计算机存储介质 |
| CN117556676A (zh) * | 2024-01-11 | 2024-02-13 | 中国航发四川燃气涡轮研究院 | 基于二维有限元模型的双辐板涡轮盘破裂转速预测方法 |
| CN117556676B (zh) * | 2024-01-11 | 2024-03-19 | 中国航发四川燃气涡轮研究院 | 基于二维有限元模型的双辐板涡轮盘破裂转速预测方法 |
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| Publication number | Publication date |
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