CN115017756A - 考虑多轴应力梯度和晶粒度的双性能盘疲劳寿命预估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种考虑多轴应力梯度和晶粒度的双性能盘疲劳寿命预估方法,包括以下步骤:步骤一、进行应力薄弱位置的获取及主应力分量的筛选;步骤二、进行单向应力集中系数的获取分析;步骤三、根据步骤一和步骤二的结果进行当量应力集中系数获取和等效名义应力获取;步骤四,根据步骤三的结果,对晶粒度等级影响下的等效名义应力进行修正;步骤五,根据等效名义应力并结合当量应力集中系数下缺口S—N曲线进行疲劳分析。本发明同时考虑了应力梯度和组织分区的影响,提高双性能涡轮盘疲劳寿命评估精度。同时,本发明创造建立的两向应力状态的应力集中系数计算方法,可用于轮盘的当量应力集中系数计算,提高轮盘的低循环疲劳寿命分析精度。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域,具体涉及一种考虑多轴应力梯度和晶粒度的双性能盘疲劳寿命预估方法。
背景技术
涡轮盘作为航空发动机的关键热端部件,涡轮盘结构复杂,在轮盘上设计有孔、凹槽等复杂的几何形状,会产生应力集中,应力集中部位往往是轮盘的危险部位。因此,这些部位也决定了轮盘的低循环疲劳寿命。现在常用的低循环疲劳寿命评估方法有名义应力法和局部应力应变法,名义应力法一般采用危险部位的名义应力和应力集中系数估算结构的低循环疲劳寿命,该方法仅适用于单轴应力状态;局部应力应变法一般采用缺口位置的最大应力和光滑曲线估算结构的低循环疲劳寿命,该方法未考虑应力梯度的影响,评估轮盘的低循环疲劳寿命过于保守。
基于涡轮盘的工作特点,涡轮盘承受的载荷复杂,应力集中部位的应力状态多表现为多轴应力,应力集中系数与应力方向强相关,名义应力法仅适应于单轴应力状态,本发明在名义应力法的基础上,建立了多轴应力状态的当量应力集中系数分析模型,采用当量名义应力和当量应力集中系数估算结构的低循环疲劳寿命。
为保证轮毂具备较高的疲劳强度且轮缘具备优良的蠕变强度,制备出轮缘和轮毂部位具有不同显微组织的双性能涡轮盘,低循环疲劳寿命预估一般采用S-N曲线或ε-N曲线进行寿命,现有的涡轮盘应力-应变分析方法未考虑双性能涡轮盘的不同部位材料性能的差异。因此无法准确预估双性能涡轮盘的低循环疲劳寿命。
发明内容
有鉴于此,本说明书实施例提供一种考虑多轴应力梯度和晶粒度的双性能盘疲劳寿命预估方法,以达到准确预估双性能涡轮盘的低循环疲劳寿命的目的。
本说明书实施例提供以下技术方案:一种考虑多轴应力梯度和晶粒度的双性能盘疲劳寿命预估方法,包括以下步骤:
步骤一、进行应力薄弱位置的获取及主应力分量的筛选;
步骤二、进行单向应力集中系数的获取分析;
步骤三、根据步骤一和步骤二的结果进行当量应力集中系数获取和等效名义应力获取;
步骤四,根据步骤三的结果,对晶粒度等级影响下的等效名义应力进行修正;
步骤五,根据等效名义应力并结合当量应力集中系数下缺口S—N曲线进行疲劳分析。
进一步地,步骤一具体包括采用有限元方法计算双性能盘的弹性应力分布,获取双性能盘的应力薄弱位置。
进一步地,步骤一具体还包括获取应力薄弱位置的应力分量与等效应力比值,根据应力分量与等效应力比值的大小,确定主应力分量。
进一步地,步骤二具体包括:通过双性能盘二维轴对称模型有限元周向应力分析结获取缺口位置处的周向名义应力σθ,n,根据缺口位置的最大应力σθ,max和周向名义应力σθ,n,获取缺口位置处的周向应力集中系数Kt,θ,其中,
进一步地,步骤二还包括:根据材料力学分析方法分析双性能盘缺口位置的轴向名义应力σz,n或者径向名义应力σr,n,根据缺口位置的轴向应力σz,max或者径向应力σr,max,并结合公式获取应力薄弱位置处的轴向应力集中系数Kt,z或者径向应力集中系数Kt,r。
进一步地,步骤三包括:根据双性能盘缺口位置处的周向名义应力σθ,n、轴向名义应力σz,n、径向名义应力σr,n、周向应力集中系数Kt,θ、轴向应力集中系数Kt,z、径向应力集中系数Kt,r,获取应力比R=σi,n/σj,n,其中,缺口位置处的当量应力集中系数公式为i、j分别为周向θ、径向r、轴向z中的任意两个方向。
进一步地,步骤四包括:根据不同晶粒度等级下的拉伸性能,通过最小二乘法线性拟合得到拉伸极限和晶粒度等级的关系σb(n)=σb(5)+k(n-5),其中,n为晶粒度等级,,5≤n≤12,k为斜率,五级晶粒度下的拉伸极限为σb(5)。
进一步地,步骤四还包括通过公式σn,max,1=σn,max×σb(n1)/σb(ni)将晶粒度等级ni下的等效名义应力修正至已获取S—N曲线晶粒度等级n1下的等效应力。
进一步地,步骤五包括:
采用古德曼曲线将非对称循环应力转换为对称循环应力,根据轮毂细晶区光滑S—N曲线和Kt=3下的缺口S—N曲线,插值得到Kt,eq下的缺口S—N曲线;
根据Kt,eq下的缺口S—N曲线和修正后的等效名义应力σn,max,1,分析得到双性能盘疲劳寿命。
与现有技术相比,本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括:本发明同时考虑了应力梯度和组织分区的影响,提高双性能涡轮盘疲劳寿命评估精度。同时,本发明创造建立的两向应力状态的应力集中系数计算方法,可用于轮盘的当量应力集中系数计算,提高轮盘的低循环疲劳寿命分析精度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例的流程结构示意图;
图2是本发明实施例的具体流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
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考虑多轴应力梯度和晶粒度的双性能盘疲劳寿命预估方法,包括以下步骤:
步骤一、进行应力薄弱位置的获取及主应力分量的筛选;
步骤二、进行单向应力集中系数的获取分析;
步骤三、根据步骤一和步骤二的结果进行当量应力集中系数获取和等效名义应力获取;
步骤四,根据步骤三的结果,对晶粒度等级影响下的等效名义应力进行修正;
步骤五,根据等效名义应力并结合当量应力集中系数下缺口S—N曲线进行疲劳分析。
本发明创造建立了一种考虑应力梯度的双性能涡轮盘多轴疲劳寿命评估方法,同时考虑了应力梯度和组织分区的影响,提高双性能涡轮盘疲劳寿命评估精度。同时,本发明创造建立的两向应力状态的应力集中系数计算方法,可用于轮盘的当量应力集中系数计算,提高轮盘的低循环疲劳寿命分析精度。
具体如图2所示,本实施例中步骤一具体包括采用有限元方法计算双性能盘的弹性应力分布,获取双性能盘的应力薄弱位置。应力薄弱位置一般为局部应力最大位置,粗晶区、过渡区和细晶区均存在应力薄弱位置,提取出应力薄弱位置处的等效应力和应力分量。
进一步地,步骤一具体还包括获取应力薄弱位置的应力分量与等效应力比值,根据应力分量与等效应力比值的大小,确定主应力分量。对应力薄弱位置的应力分量进行归一化处理(应力分量与等效应力比值),根据归一化的应力大小,确定主应力分量。涡轮盘应力薄弱位置的主应力分量一般为单向应力状态或二向应力状态,二向应力状态一般以径向应力叠加轴向应力或周向应力叠加轴向应力为主,获取应力薄弱位置处的周向应力σθ,max(径向应力σr,max)和轴向应力σz,max。
步骤二具体包括:通过双性能盘二维轴对称模型有限元周向应力分析结获取缺口位置处的周向名义应力σθ,n,根据缺口位置的最大应力σθ,max和周向名义应力σθ,n,获取缺口位置处的周向应力集中系数Kt,θ,其中,
步骤二还包括:根据材料力学分析方法分析双性能盘缺口位置的轴向名义应力σz,n或者径向名义应力σr,n,根据缺口位置的轴向应力σz,max或者径向应力σr,max,并结合公式获取应力薄弱位置处的轴向应力集中系数Kt,z或者径向应力集中系数Kt,r。
进一步地,步骤三包括:根据双性能盘缺口位置处的周向名义应力σθ,n、轴向名义应力σz,n、径向名义应力σr,n、周向应力集中系数Kt,θ、轴向应力集中系数Kt,z、径向应力集中系数Kt,r,获取应力比R=σz,n/σy,n,其中,缺口位置处的当量应力集中系数公式为i、j分别为周向θ、径向r、轴向z中的任意两个方向。
优选地,步骤四包括:根据不同晶粒度等级下的拉伸性能,通过最小二乘法线性拟合得到拉伸极限和晶粒度等级的关系σb(n)=σb(5)+k(n-5),其中,n为晶粒度等级,5≤n≤12,k为斜率,五级晶粒度下的拉伸极限为σb(5)。
步骤四还包括通过公式σn,max,1=σn,max×σb(n1)/σb(ni)将晶粒度等级ni下的等效名义应力修正至已获取S—N曲线晶粒度等级n1下的等效应力。在该步骤中若获取了轮毂细晶区的S—N曲线,则需将过渡区(粗晶区)的等效名义应力修正至细晶区的等效应力,假设细晶区的晶粒度等级为n1,过渡区(粗晶区)的晶粒度等级为ni,则等效名义应力修正公式如下σn,max,1=σn,max×σb(n1)/σb(ni)。
步骤五包括:
采用古德曼曲线将非对称循环应力转换为对称循环应力,根据轮毂细晶区光滑S—N曲线和Kt=3下的缺口S—N曲线,插值得到Kt,eq下的缺口S—N曲线;
根据Kt,eq下的缺口S—N曲线和修正后的等效名义应力σn,max,1,分析得到双性能盘疲劳寿命。
本发明通过研究涡轮盘的受力状态,建立了考虑二向应力状态的当量应力集中系数计算方法,通过双性能涡轮盘的不同晶粒度等级下的拉伸极限,拟合得到了拉伸极限和晶粒度等级的线性关系,并对不同半径位置的等效名义应力进行了修正。考虑当量应力集中系数和组织分区影响,提高双性能涡轮盘疲劳寿命评估精度。
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)
1.一种考虑多轴应力梯度和晶粒度的双性能盘疲劳寿命预估方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一、进行应力薄弱位置的获取及主应力分量的筛选;
步骤二、进行单向应力集中系数的获取分析;
步骤三、根据所述步骤一和所述步骤二的结果进行当量应力集中系数获取和等效名义应力获取;
步骤四,根据步骤三的结果,对晶粒度等级影响下的等效名义应力进行修正;
步骤五,根据等效名义应力并结合当量应力集中系数下缺口S—N曲线进行疲劳分析。
2.根据权利要求1所述的虑多轴应力梯度和晶粒度的双性能盘疲劳寿命预估方法,其特征在于,所述步骤一具体包括采用有限元方法计算双性能盘的弹性应力分布,获取双性能盘的应力薄弱位置。
3.根据权利要求2所述的虑多轴应力梯度和晶粒度的双性能盘疲劳寿命预估方法,其特征在于,所述步骤一具体还包括获取所述应力薄弱位置的应力分量与等效应力比值,根据应力分量与等效应力比值的大小,确定主应力分量。
8.根据权利要求7所述的虑多轴应力梯度和晶粒度的双性能盘疲劳寿命预估方法,其特征在于,所述步骤四包括:根据不同晶粒度等级下的拉伸性能,通过最小二乘法线性拟合得到拉伸极限和晶粒度等级的关系σb(n)=σb(5)+k(n-5),其中,n为晶粒度等级,5≤n≤12,k为斜率,五级晶粒度下的拉伸极限为σb(5)。
9.根据权利要求8所述的虑多轴应力梯度和晶粒度的双性能盘疲劳寿命预估方法,其特征在于,所述步骤四还包括通过公式σn,max,1=σn,max×σb(n1)/σb(ni)将晶粒度等级ni下的等效名义应力修正至已获取S—N曲线晶粒度等级n1下的等效应力。
10.根据权利要求9所述的虑多轴应力梯度和晶粒度的双性能盘疲劳寿命预估方法,其特征在于,所述步骤五包括:
采用古德曼曲线将非对称循环应力转换为对称循环应力,根据轮毂细晶区光滑S—N曲线和Kt=3下的缺口S—N曲线,插值得到Kt,eq下的缺口S—N曲线;
根据Kt,eq下的缺口S—N曲线和修正后的等效名义应力σn,max,1,分析得到双性能盘疲劳寿命。
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