CN114970125A - 一种钛基复合材料整体叶环破裂预测方法 - Google Patents

一种钛基复合材料整体叶环破裂预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钛基复合材料整体叶环破裂预测方法，属于航空发动机技术领域。该方法通过weibull统计学规律，建立复合材料芯尺度与其拉伸性能衰减的定量关系，进而应用于SiC纤维增强的金属基复合材料叶环的周向破裂转速预测，将预测误差减小到5％以内，且偏安全，可靠地对复合材料叶环的破裂失效转速进行预估。

Description

一种钛基复合材料整体叶环破裂预测方法
技术领域
本发明属于航空发动机技术领域，具体涉及一种钛基复合材料整体叶环破裂预测方法。
背景技术
复合材料叶环结构示意图如图2。包括金属叶片及包套1，复合材料与金属界面2，复合材料芯3；复合材料叶环因其特殊结构在工作时主要为复合材料复合材料芯3周向承载，破裂模式主要为复合材料芯3周向破裂，现有对于复合材叶环采用最大应力法公式
Figure BDA0003641448760000011
进行周向破裂转速计算。认为当公式中np＝1时，即σb＝σtmax时，结构破坏。式中：ωp为破裂转速，rad/s；ωmax为工作转速，rad/s；σb为材料拉伸强度，MPa；σtmax为工作转速下计算得到的最大周向应力，Mpa。如果直接按照最大应力法公式进行求解，σb取相同体积分数的的复合材料试棒的拉伸极限值，将造成破裂转速计算值较试验值高，偏危险，结果不准确，且误差在10％以上。这主要因为:SiC纤维属于脆性材料，其纤维内部及表面随机分布的各类缺陷使其抗拉强度产生较大的分散性，这种分散性导致纤维的平均拉伸强度降低，进而导致复合材料强度降低。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种考虑复合材料芯尺度影响的钛基复合材料整体叶环破裂预测方法，以将预测误差减小到5％以内，且偏安全，进而可靠地对复合材料叶环的破裂失效转速进行预估。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案，提供一种钛基复合材料整体叶环破裂预测方法，所述方法包括如下步骤：
S1：准备多根相同试棒；
S2：测试试棒的性能，获取每根试棒中的SiC纤维纵向拉伸极限；
S3：运用统计学理论统计S2获取的SiC纤维纵向拉伸极限的概率密度分布图，获得试棒中的SiC纤维纵向平均拉伸极限；
S4：引入长度影响因子，对S3获取的试棒中的SiC纤维纵向平均拉伸极限进行修正，得到叶环复合材料芯中的SiC纤维纵向平均拉伸极限；
S5：根据S4计算获得的叶环复合材料芯中的SiC纤维纵向平均拉伸极限计算叶环复合材料芯复材的周向平均拉伸极限；
S6：通过S3获取的试棒中的复合材料芯复材的纵向平均拉伸极限和S5获取的叶环复合材料芯的周向平均拉伸极限计算获得叶环复合材料芯复材周向拉伸性能相对于试棒中复合材料芯复材纵向拉伸性能衰减系数，
将叶环复合材料芯复材周向拉伸性能相对于试棒中复才纵向拉伸性能衰减系数代入最大应力法公式进行钛基复合材料整体叶环破裂预测。
本发明所提供的的钛基复合材料整体叶环破裂预测方法，还具有这样的特征，所述S1中的试棒的根数大于100；
试棒包括设置在两端的两个夹持段和夹持段之间的考核段，所述考核段和夹持段之间通过过渡段连接，夹持段直径D1不小于考核段直径D2的2倍，D2大于5mm，考核段长度L2大于10mm，过渡段长度大于(D1-D2)/2；
所述考核段包括复合材料芯和包裹复合材料芯的金属包套，所述复合材料芯的直径为D2-2×t，其中t为金属包套的厚度，复合材料芯的面积分数为Vsf＝(1-2*t/D2)^2，并且Vsf≥80％；
所述复合材料芯包括基体钛合金和在基体钛合金中六方分布的SiC纤维，SiC纤维方向平行于试棒轴向，其中，基体钛合金体积分数Vm，SiC纤维体积分数为Vf，Vf≥40％。
本发明所提供的的钛基复合材料整体叶环破裂预测方法，还具有这样的特征，所述S2包括如下步骤：
S2.1：利用万能试验机测取叶环工作温度下的每根试棒的纵向拉伸极限σbs和纵向弹性模量Ebs；
S2.2：取与金属包套相同工艺标准的标准金属试棒，利用万能试验机测取叶环工作温度下的标准金属试棒的纵向拉伸极限σbm和纵向弹性模量Em；
S2.3:采用超声波应力测试仪测取SiC纤维的热残余应力σc；
S2.4：计算得到每根试棒中复合材料芯的纵向拉伸性能：
σcomp＝(σbs-Vsm*σbm)/Vsf
S2.5：计算得到每根试棒中复合材料芯的纵向弹性模量
Ecomp＝(Ebs-Vsm*Ebm)/Vsf
S2.6:计算得到每根试棒中的SiC纤维的纵向拉伸极限σf
σf＝σcomp(1-Vm*Em/Ecomp)/Vf-σc。
本发明所提供的的钛基复合材料整体叶环破裂预测方法，还具有这样的特征，所述S3为：
根据统计学理论统计S2获取的SiC纤维纵向拉伸极限的概率密度分布图，做纤维标称长度为L0的weibull分布曲线分析，weibull函数见下式：
Figure BDA0003641448760000041
其中：F是当SiC纤维轴向应力达到σf时发生失效的概率，σ0是室温下标称长度下的SiC纤维的拉伸强度，σ0和m分别是Weibull模量中的比例参数和形状因子；
对上式取对数变形，可得：
Figure BDA0003641448760000042
可通过lnln[1/(1-F(σf)]对lnσf作图，使用线性回归法得到其拟合直线的斜率m，再根据直线截距求出σ0；
计算得到试棒中纤维平均拉伸强度；
Figure BDA0003641448760000043
本发明所提供的的钛基复合材料整体叶环破裂预测方法，还具有这样的特征，所述S4中得到叶环中的SiC纤维平均拉伸强度为
Figure BDA0003641448760000044
其中，L0为标称长度、Le为叶环中的每个复合材料芯中的SiC纤维长度，n为复合材料芯的数量。
本发明所提供的的钛基复合材料整体叶环破裂预测方法，还具有这样的特征，所述叶环中的每个复合材料芯中的SiC纤维长度为
Figure BDA0003641448760000051
其中，df为SiC纤维直径，Ve为叶环中每个复合材料芯中的SiC纤维体积，
Ve＝π*(DS2-DS1)*DS3*(DS2+DS1)*Vf
其中，DS2为叶环复合材料芯的外径；DS1为叶环复合材料芯的内径；DS3为叶环复合材料芯的轴向厚度。
本发明所提供的的钛基复合材料整体叶环破裂预测方法，还具有这样的特征，所述S6的复合材料芯复材平均周向的拉伸极限为：
Figure BDA0003641448760000052
其中,V0为标称长度下SiC纤维体积。
本发明所提供的的钛基复合材料整体叶环破裂预测方法，还具有这样的特征，所述S6中：
叶环复合材料芯复材周向拉伸性能相对于试棒中复合材料平均纵向拉伸性能衰减系数为
Figure BDA0003641448760000053
则，钛基复合材料整体叶环破裂预测通过下式进行：
Figure BDA0003641448760000054
有益效果
本发明提供的钛基复合材料整体叶环破裂预测方法通过weibull统计学规律，建立复合材料芯尺度与其拉伸性能衰减的定量关系，进而应用于SiC纤维增强的金属基复合材料叶环的周向破裂转速预测，将预测误差减小到5％以内，且偏安全，可靠地对复合材料叶环的破裂失效转速进行预估。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的钛基复合材料整体叶环破裂预测方法流程图；
图2为SiC纤维增强的金属基复合材料叶环结构示意图；
图3为本发明实施例中的SiCf/TC17复合材料拉伸试样示意图；
图4为本发明实施例中复合材料试棒断面示意图；
图5为本发明实施例中的概率密度图；
图6为本发明实施例中的m值拟合曲线；
图7为本发明实施例中的叶环复合材料芯尺寸定义设计变量示意图；
图8为本发明实施例中的多复合材料芯叶环的示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
依据weibull统计方法分析得到，纤维越长，各类缺陷越多，纤维平均拉伸强度越低，进而导致复合材料强度越低。一般的采用连续纤维纯环向缠绕制备的叶环复合材料芯较试棒体积大，即纤维较试棒中长，拉伸性能应力σb低于试棒性能。故在叶环破裂转速还应考虑叶环复合材料芯尺度的影响。
如图1-8所示，本实施例提供了一种钛基复合材料整体叶环破裂预测方法，所述方法包括如下步骤：
S1：准备多根相同试棒；
S2：测试试棒的性能，获取每根试棒中的SiC纤维纵向拉伸极限；
S3：运用统计学理论统计S2获取的SiC纤维纵向拉伸极限的概率密度分布图，获得试棒中的SiC纤维平均拉伸强度；
S4：引入长度影响因子，对S3获取的试棒中的SiC纤维平均拉伸强度进行修正，得到叶环中的SiC纤维平均拉伸强度；
S5：根据S4计算获得的叶环中的SiC纤维平均拉伸强度计算复合材料芯的拉伸极限；
S6：通过S2获取的每根试棒中的SiC纤维纵向拉伸极限和S5获取的复合材料芯的拉伸极限计算获得叶环复合材料芯复材周向拉伸性能相对于试棒中复合材料纵向拉伸性能衰减系数，
将叶环复合材料芯复材周向拉伸性能相对于试棒中复合材料纵向拉伸性能衰减系数代入最大应力法公式进行钛基复合材料整体叶环破裂预测。
在部分实施例中，所述S1中的试棒的根数N大于100；如图3所示，试棒包括设置在两端的两个夹持段和夹持段之间的考核段6，两个夹持段分别为左夹持段4和右夹持段8，所述考核段和夹持段之间通过过渡段连接，左夹持段4和考核段6之间设有左过渡段5，右夹持段8和考核段之间设有右过渡段7，夹持段4/8直径D1不小于考核段6直径D2的2倍，D2大于5mm，考核段长度L2大于10mm，过渡段长度大于(D1-D2)/2；考核段6的横截面如图4所示，所述考核段6包括复合材料芯9和包裹复合材料芯9的金属包套10，所述复合材料芯9的直径为D2-2×t，其中t为金属包套10的厚度，复合材料芯9的面积分数为Vsf＝(1-2*t/D2)^2，并且Vsf≥80％；所述复合材料芯9包括基体钛合金和在基体钛合金中六方分布的SiC纤维，SiC纤维方向平行于试棒轴向，其中，基体钛合金体积分数Vm，SiC纤维体积分数为Vf，Vf≥40％。SiC纤维方向平行于试棒轴向，采用涂覆基材的纤维先驱丝制造工艺和热等静压工艺制备毛坯，热等静压温度高于900℃，采用机加加工试棒外轮廓。
在部分实施例中，所述S2包括如下步骤：
S2.1：利用万能试验机测取叶环工作温度下的试棒的纵向拉伸极限σbs和纵向弹性模量Ebs；工作温度指在发动机中的工作温度；
S2.2：取与金属包套相同工艺标准的标准金属试棒，利用万能试验机测取叶环工作温度下的标准金属试棒的纵向拉伸极限σbm和纵向弹性模量Em；
S2.3:采用超声波应力测试仪测取SiC纤维的热残余应力σc；
S2.4：计算得到复合材料芯9的纵向拉伸性能：
σcomp＝(σbs-Vsm*σbm)/Vsf
S2.5：计算得到复合材料芯9的纵向弹性模量
Ecomp＝(Ebs-Vsm*Ebm)/Vsf
S2.6:计算得到每根试棒中的SiC纤维的纵向拉伸极限σf
σf＝σcomp(1-Vm*Em/Ecomp)/Vf-σc。
在部分实施例中，所述S3为：
根据统计学理论统计S2获取的SiC纤维纵向拉伸极限σf的概率密度分布图，如图5，做纤维标称长度为L0的weibull分布曲线分析，weibull函数见下式：
Figure BDA0003641448760000101
其中：F是当SiC纤维轴向应力达到σf时发生失效的概率，σ0是室温下标称长度下的SiC纤维的拉伸强度，σ0和m分别是Weibull模量中的比例参数和形状因子；
对上式取对数变形，可得：
Figure BDA0003641448760000102
可通过lnln[1/(1-F(σf)]对lnσf作图，如图6所示，使用线性回归法得到其拟合直线的斜率m，再根据直线截距求出σ0；
计算得到试棒中纤维平均拉伸强度；
Figure BDA0003641448760000103
在部分实施例中，如图7所示，所述S4中得到叶环中的SiC纤维平均拉伸强度为
Figure BDA0003641448760000104
其中，L0为标称长度、Le为叶环中的每个复合材料芯中的SiC纤维长度，n为复合材料芯的数量。
在部分实施例中，所述叶环中的每个复合材料芯中的SiC纤维长度为
Figure BDA0003641448760000111
其中，df为SiC纤维直径，Ve为叶环中每个复合材料芯中的SiC纤维体积，
Ve＝π*(DS2-DS1)*DS3*(DS2+DS1)*Vf
其中，DS2为叶环复合材料芯的外径；DS1为叶环复合材料芯的内径；DS3为叶环复合材料芯的轴向厚度。
在部分实施例中，如图8所示，叶环含有多复合材料芯，则所述S5的复合材料芯的拉伸极限为：
Figure BDA0003641448760000112
在部分实施例中，所述S6中：
叶环复合材料芯复材周向拉伸性能相对于试棒中复合材料纵向拉伸性能衰减系数为
Figure BDA0003641448760000113
则，钛基复合材料整体叶环破裂预测通过下式进行：
Figure BDA0003641448760000114
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种钛基复合材料整体叶环破裂预测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1：准备多根相同试棒；
S2：测试试棒的性能，获取每根试棒中的SiC纤维纵向拉伸极限；
S3：运用统计学理论统计S2获取的SiC纤维纵向拉伸极限的概率密度分布图，获得试棒中的SiC纤维纵向平均拉伸极限；
S4：引入长度影响因子，对S3获取的试棒中的SiC纤维纵向平均拉伸极限进行修正，得到叶环复合材料芯中的SiC纤维纵向平均拉伸极限；
S5：根据S4计算获得的叶环复合材料芯中的SiC纤维纵向平均拉伸极限计算叶环复合材料芯复材的周向平均拉伸极限；
S6：通过S3获取的试棒中的SiC纤维纵向平均拉伸极限和S5获取的叶环复合材料芯的周向平均拉伸极限计算获得叶环复合材料芯复材周向拉伸性能相对于试棒中复合材料芯复材平均纵向拉伸性能衰减系数，
将叶环复合材料芯复材周向拉伸性能相对于试棒中复才平均纵向拉伸性能衰减系数代入最大应力法公式进行钛基复合材料整体叶环破裂预测。
2.根据权利要求1所述的钛基复合材料整体叶环破裂预测方法，其特征在于，所述S1中的试棒的根数大于100；
试棒包括设置在两端的两个夹持段和夹持段之间的考核段，所述考核段和夹持段之间通过过渡段连接，夹持段直径D1不小于考核段直径D2的2倍，D2大于5mm，考核段长度L2大于10mm，过渡段长度大于(D1-D2)/2；
所述考核段包括复合材料芯和包裹复合材料芯的金属包套，所述复合材料芯的直径为D2-2×t，其中t为金属包套的厚度，复合材料芯的面积分数为Vsf＝(1-2*t/D2)^2，并且Vsf≥80％；
所述复合材料芯包括基体钛合金和在基体钛合金中六方分布的SiC纤维，SiC纤维方向平行于试棒轴向，其中，基体钛合金体积分数Vm，SiC纤维体积分数为Vf，Vf≥40％。
3.根据权利要求2所述的钛基复合材料整体叶环破裂预测方法，其特征在于，所述S2包括如下步骤：
S2.1：利用万能试验机测取叶环工作温度下的每根试棒的纵向拉伸极限σbs和纵向弹性模量Ebs；
S2.2：取与金属包套相同工艺标准的标准金属试棒，利用万能试验机测取叶环工作温度下的标准金属试棒的纵向拉伸极限σbm和纵向弹性模量Em；
S2.3:采用超声波应力测试仪测取SiC纤维的热残余应力σc；
S2.4：计算得到每根试棒中复合材料芯的纵向拉伸性能：
σcomp＝(σbs-Vsm*σbm)/Vsf
S2.5：计算得到每根试棒中复合材料芯的纵向弹性模量
Ecomp＝(Ebs-Vsm*Ebm)/Vsf
S2.6:计算得到每根试棒中的SiC纤维的纵向拉伸极限σf
σf＝σcomp(1-Vm*Em/Ecomp)/Vf-σc。
4.根据权利要求3所述的钛基复合材料整体叶环破裂预测方法，其特征在于，所述S3为：
根据统计学理论统计S2获取的SiC纤维纵向拉伸极限的概率密度分布图，做纤维标称长度为L0的weibull分布曲线分析，weibull函数见下式：
Figure FDA0003641448750000031
其中：F是当SiC纤维轴向应力达到σf时发生失效的概率，σ0是室温下标称长度下的SiC纤维的拉伸强度，σ0和m分别是Weibull模量中的比例参数和形状因子；
对上式取对数变形，可得：
Figure FDA0003641448750000032
可通过lnln[1/(1-F(σf)]对lnσf作图，使用线性回归法得到其拟合直线的斜率m，再根据直线截距求出σ0；
计算得到试棒中纤维平均拉伸强度；
Figure FDA0003641448750000033
5.根据权利要求4所述的钛基复合材料整体叶环破裂预测方法，其特征在于，所述S4中得到叶环中的SiC纤维平均拉伸强度为
Figure FDA0003641448750000034
其中，L0为标称长度、Le为叶环中的每个复合材料芯中的SiC纤维长度，n为复合材料芯的数量。
6.根据权利要求5所述的钛基复合材料整体叶环破裂预测方法，其特征在于，所述叶环中的每个复合材料芯中的SiC纤维长度为
Figure FDA0003641448750000041
其中，df为SiC纤维直径，Ve为叶环中每个复合材料芯中的SiC纤维体积，
Ve＝π*(DS2-DS1)*DS3*(DS2+DS1)*Vf
其中，DS2为叶环复合材料芯的外径；DS1为叶环复合材料芯的内径；DS3为叶环复合材料芯的轴向厚度。
7.根据权利要求6所述的钛基复合材料整体叶环破裂预测方法，其特征在于，所述S6的复合材料芯复材平均周向的拉伸极限为：
Figure FDA0003641448750000042
其中,V0为标称长度下SiC纤维体积。
8.根据权利要求7所述的钛基复合材料整体叶环破裂预测方法，其特征在于，所述S6中：
叶环复合材料芯复材周向拉伸性能相对于试棒中复合材料平均纵向拉伸性能衰减系数为
Figure FDA0003641448750000043
则，钛基复合材料整体叶环破裂预测通过下式进行：
Figure FDA0003641448750000044
。
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