CN116052821A - 一种基于温度影响的轮盘材料利用系数确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空发动机技术领域，公开了一种基于温度影响的轮盘材料利用系数确定方法，以不同温度下的平均周向应力、轮盘材料拉伸强度以及对应的实际破裂转速值进行不同温度下轮盘的初始材料利用系数值计算，采用公式

进行曲线拟合得到系数

、

的值，最终得到轮盘的材料利用系数

的表达式。本发明轮盘材料利用系数的确定方法综合考虑了轮盘材料性能的差异的影响，基于轮盘材料性能数据和轮盘破裂试验结果建立了材料利用系数计算的关系式，利用该轮盘材料利用系数进行轮盘设计时，可提高轮盘强度设计精度，保障轮盘设计的可靠性及安全性。

Description

一种基于温度影响的轮盘材料利用系数确定方法

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，公开了一种基于温度影响的轮盘材料利用系数确定方法。

背景技术

破裂是轮盘的一种常见故障模式，一旦出现总是灾难性的，因此为保证轮盘在规定超转转速下的变形在允许范围内、破裂转速下不破坏，必须进行破裂转速预估和破裂试验验证。国军标《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》中要求：当轮盘材料承受最大温度梯度和最高工作温度时，轮盘的设计破裂转速不低于最高允许稳态转速的122%。

目前工程应用中周向破裂转速预测广泛使用平均应力法，即当轮盘截面的平均周向应力与材料拉伸强度（单轴拉伸应力）相等时轮盘就会破裂，但该方法的基本假设是轮盘为理想塑性材料，且应力沿盘的厚度不变。为考虑轮盘实际材料与理想塑性材料间应力应变关系的差异（如图2），及几何形状的影响，引入了材料利用系数这一修正参数，通常轮盘强度设计时取经验系数0.9，导致破裂转速预测误差大，不能满足工程设计。因此可靠的轮盘材料拉伸强度和材料利用系数是准确预测破裂转速的关键因素，有必要研究和建立基于大量材料实测数据与轮盘破裂试验数据的材料利用系数确定方法，以提高设计精度，保障轮盘设计的可靠性及安全性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于温度影响的轮盘材料利用系数确定方法，可提高轮盘强度设计精度，保障轮盘设计的可靠性及安全性。

为了实现上述技术效果，本发明采用的技术方案是：

一种基于温度影响的轮盘材料利用系数确定方法，包括：

分析获取同一材质不同设计尺寸的轮盘在不同温度下应力分布，计算对应温度下各轮盘平均周向应力；

开展或仿真轮盘旋转破裂试验，获得各轮盘不同温度下的实际破裂转速值；

根据不同温度下的平均周向应力、轮盘材料拉伸强度以及对应的实际破裂转速值，计算不同温度下轮盘的初始材料利用系数值；

根据不同温度下轮盘材料拉伸强度、屈服强度性能数据，分析得到不同温度的轮盘材料拉伸强度置信度为50%的-3值，以及屈服强度置信度为50%的-3值；

采用公式拟合得到轮盘的材料利用系数表达式，其中、均为常数；

根据拟合得到轮盘的材料利用系数表达式以及轮盘设计工作温度，计算设计工作温度下的轮盘材料利用系数。

进一步地，计算对应温度下各轮盘平均周向应力，包括：

建立二维轮盘有限元计算模型，并对轮盘有限元计算模型施加转速、温度和轴向位移约束，分析得到轮盘应力分布，并根据轮盘应力分布求解得到平均周向应力，其中为有限元单元的平均周向应力，为轮盘子午面上第个有限元单元面积，为轮盘子午面上有限元单元总数。

进一步地，根据公式计算得到不同温度下轮盘的初始材料利用系数值；其中为材料利用系数，为轮盘实际破裂转速，为轮盘试验基准转速，为轮盘平均周向应力，为轮盘材料在轮盘按面积加权平均温度下的拉伸强度极限值。

进一步地，不同温度的轮盘材料拉伸强度置信度为50%的-3值是根据公式计算获得；

其中为多个温度下的轮盘材料在轮盘按面积加权平均温度下的拉伸强度极限值的样本平均值，为样本标准差，为单侧容限系数，，为存活率为99.87的标准正态偏量，取值为-3；为置信度为50%的t分布百分位值，为子样数。

与现有技术相比，本发明所具备的有益效果是：

本发明通过综合考虑轮盘材料性能的差异的影响，基于轮盘材料性能数据和轮盘破裂试验结果建立了材料利用系数计算的关系式，利用该轮盘材料利用系数进行轮盘设计时，可提高轮盘强度设计精度，保障轮盘设计的可靠性及安全性。

附图说明

图1为实施例中基于温度影响的轮盘材料利用系数确定方法流程图；

图2为理想塑性材料与塑性材料的应力—应变关系差异示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

参见图1-图2，一种基于温度影响的轮盘材料利用系数确定方法，包括：

分析获取同一材质不同设计尺寸的轮盘在不同温度下应力分布，计算对应温度下各轮盘平均周向应力；

开展或仿真轮盘旋转破裂试验，获得各轮盘不同温度下的实际破裂转速值；

根据不同温度下的平均周向应力、轮盘材料拉伸强度以及对应的实际破裂转速值，计算不同温度下轮盘的初始材料利用系数值；

根据不同温度下轮盘材料拉伸强度、屈服强度性能数据，分析得到不同温度的轮盘材料拉伸强度置信度为50%的-3值，以及屈服强度置信度为50%的-3值；

采用公式拟合得到轮盘的材料利用系数表达式，其中、均为常数；

根据拟合得到轮盘的材料利用系数表达式以及轮盘设计工作温度，计算设计工作温度下的轮盘材料利用系。

在本实施例中，同一材质不同设计尺寸的轮盘在不同温度下应力分布可以通过仿真软件仿真获得，也可以采用其他力学分析的方式获得；根据不同温度下轮盘的应力分布计算对应温度下各轮盘平均周向应力，通过仿真或者试验的方式获得各轮盘不同温度下的实际破裂转速值后，以不同温度下的平均周向应力、轮盘材料拉伸强度以及对应的实际破裂转速值进行不同温度下轮盘的初始材料利用系数值计算。采用公式进行曲线拟合，得到、的值，得到轮盘的材料利用系数的表达式；根据拟合得到轮盘的材料利用系数表达式以及轮盘设计工作温度，计算设计工作温度下的轮盘材料利用系数。通常轮盘材料表现为较好的塑性性能，轮盘破裂试验过程中子午面整体首先达到屈服强度，然后再达到拉伸强度破坏，该过程中塑性材料会不断强化，往往屈服强度低于拉伸强度。因此本实施例中轮盘材料利用系数的确定方法综合考虑了轮盘材料性能差异的影响，基于轮盘理想塑性材料的基本假设，采取拉伸拉伸强度与屈服强度的比值来反映轮盘的塑性行为，并通过轮盘实测材料性能数据（拉伸拉伸强度和屈服强度）和轮盘破裂试验结果建立了材料利用系数计算的关系式，利用该轮盘材料利用系数进行轮盘设计时，可满足不同温度下同种材料的轮盘破裂转速计算，提高轮盘强度设计精度，保障轮盘设计的可靠性及安全性。

实施例2

本实施例以粉末高温合金轮盘材料利用系数确定流程为例，对本发明的方法做更进一步的解释，主要包括以下步骤：

1）计算对应温度下各轮盘平均周向应力，包括：

建立二维轮盘有限元计算模型，并对轮盘有限元计算模型施加转速、温度和轴向位移约束，分析得到轮盘应力分布，并根据轮盘应力分布求解得到平均周向应力，其中为有限元单元的平均周向应力，为轮盘子午面上第个有限元单元面积，为轮盘子午面上有限元单元总数。本实施例中的轮盘材料利用系数确定方法中，在考虑轮盘材料性能的差异的基础上，通过有二维轮盘限元分析的方式也考虑了不同尺寸的轮盘几何形状的影响，可进一步提高轮盘强度设计精度并保障轮盘设计的可靠性及安全性。

2）开展或仿真轮盘旋转破裂试验，获得各轮盘不同温度下的实际破裂转速值；

3）根据不同温度下的平均周向应力、轮盘材料拉伸强度以及对应的实际破裂转速值，计算不同温度下轮盘的初始材料利用系数值；本实施例中，根据公式计算得到不同温度下轮盘的初始材料利用系数值；其中为材料利用系数，为轮盘实际破裂转速，为轮盘试验基准转速，为轮盘平均周向应力，为轮盘材料在轮盘按面积加权平均温度下的拉伸强度极限值。

4）收集整理随炉入厂复验材料性能数据，获得轮盘材料不同温度下的拉伸强度、屈服强度性能数据；根据不同温度下轮盘材料拉伸强度、屈服强度性能数据，分析得到不同温度的轮盘材料拉伸强度置信度为50%的-3值，以及屈服强度置信度为50%的-3值；其中，不同温度的轮盘材料拉伸强度置信度为50%的-3值是根据公式计算获得；

其中为多个温度下的轮盘材料在轮盘按面积加权平均温度下的拉伸强度极限值的样本平均值，为样本标准差，为单侧容限系数，，为存活率为99.87的标准正态偏量，取值为-3；为置信度为50%的t分布百分位值，为子样数。

5）利用最小二乘法拟合，采用公式拟合得到粉末高温合金轮盘材料利用系数表达式；

6）根据拟合得到轮盘的材料利用系数表达式以及轮盘设计工作温度，计算设计工作温度下的轮盘材料利用系数。

以上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。

Claims (4)

1.一种基于温度影响的轮盘材料利用系数确定方法，其特征在于，包括：

分析获取同一材质不同设计尺寸的轮盘在不同温度下应力分布，计算对应温度下各轮盘平均周向应力；

开展轮盘旋转破裂试验，获得各轮盘不同温度下的实际破裂转速值；

根据不同温度下的平均周向应力、轮盘材料拉伸强度以及对应的实际破裂转速值，计算不同温度下轮盘的初始材料利用系数值；

根据不同温度下轮盘材料拉伸强度、屈服强度性能数据，分析得到不同温度的轮盘材料拉伸强度置信度为50%的-3值，以及屈服强度置信度为50%的-3值；

采用公式拟合得到轮盘的材料利用系数表达式，其中、均为常数；

根据拟合得到轮盘的材料利用系数表达式以及轮盘设计工作温度，计算设计工作温度下的轮盘材料利用系数。

2.根据权利要求1所述基于温度影响的轮盘材料利用系数确定方法，其特征在于，计算对应温度下各轮盘平均周向应力，包括：

建立二维轮盘有限元计算模型，并对轮盘有限元计算模型施加转速、温度和轴向位移约束，分析得到轮盘应力分布，并根据轮盘应力分布求解得到平均周向应力，其中为有限元单元的平均周向应力，为轮盘子午面上第个有限元单元面积，为轮盘子午面上有限元单元总数。

3.根据权利要求2所述的基于温度影响的轮盘材料利用系数确定方法，其特征在于，根据公式计算得到不同温度下轮盘的初始材料利用系数值；其中为材料利用系数，为轮盘实际破裂转速，为轮盘试验基准转速，为轮盘平均周向应力，为轮盘材料在轮盘按面积加权平均温度下的拉伸强度极限值。

4.根据权利要求2所述的基于温度影响的轮盘材料利用系数确定方法，其特征在于，不同温度的轮盘材料拉伸强度置信度为50%的-3值是根据公式计算获得；

其中为多个温度下的轮盘材料在轮盘按面积加权平均温度下的拉伸强度极限值的样本平均值，为样本标准差，为单侧容限系数，，为存活率为99.87的标准正态偏量，取值为-3；为置信度为50%的t分布百分位值，为子样数。

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