CN117556676A - 基于二维有限元模型的双辐板涡轮盘破裂转速预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于二维有限元模型的双辐板涡轮盘破裂转速预测方法,涉及航空发动机技术领域。方法包括:根据双辐板涡轮盘的结构受力特点,将双辐板涡轮盘分为多个结构区域;建立双辐板涡轮盘二维有限元仿真模型,获取双辐板涡轮盘在初始转速条件下的应力场;根据该应力场,分别计算双辐板涡轮盘的左半盘、右半盘和轮缘在发动机初始转速N、温度T条件下的周向破裂转速储备和径向破裂转速储备,以及盘心焊接部的挤压破裂转速储备;根据周向破裂转速储备、径向破裂转速储备以及挤压破裂转速储备,获取双辐板涡轮盘的综合破裂转速储备,得到双辐板涡轮盘的破裂转速。本发明能够有效提高双辐板涡轮盘的破裂转速评估精度及评估效率。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域,具体涉及一种基于二维有限元模型的双辐板涡轮盘破裂转速预测方法。
背景技术
涡轮盘是航空发动机的关键部件,其工作环境非常恶劣,经受着高温、高转速的考核,涡轮盘在满足强度设计要求的情况下一般较为厚重,在转子重量中占较大比重。双辐板涡轮盘结构相对于实心涡轮盘具有结构利用效率高的特点,能明显减轻重量,通常由两个盘焊接而成。
目前现有的焊接转子(均质盘)的破裂转速预测时仅考虑了周向破裂和径向破裂模式,而双辐板涡轮盘由于是两个轮盘焊接在一起,会对其失效模式产生影响,进而导致破裂转速的预测误差较大;同时工程上为了提高计算效率,通常需要采用二维有限元模型开展轮盘破裂转速分析及预测,而双辐板涡轮盘的盘心部位通常为不连续结构,采用二维有限元模型无法准确描述其应力特点,导致破裂转速预测精度较低。
发明内容
有鉴于此,本申请实施例提供一种基于二维有限元模型的双辐板涡轮盘破裂转速预测方法,以达到提高双辐板涡轮盘的破裂转速评估精度及评估效率的目的。
本申请实施例提供以下技术方案:一种基于二维有限元模型的双辐板涡轮盘破裂转速预测方法,包括:
步骤1、根据双辐板涡轮盘的结构受力特点,将双辐板涡轮盘分为多个结构区域,所述多个结构区域包括左半盘、右半盘、轮缘以及盘心焊接部;
步骤2、建立双辐板涡轮盘二维有限元仿真模型,获取双辐板涡轮盘在初始转速条件下的应力场;
步骤3、根据双辐板涡轮盘的应力场,分别计算双辐板涡轮盘的所述左半盘、所述右半盘和所述轮缘在发动机初始转速N、温度T条件下的周向破裂转速储备和径向破裂转速储备;
步骤4、计算双辐板涡轮盘的所述盘心焊接部在发动机初始转速N、温度T条件下的挤压破裂转速储备;
步骤5、根据所述周向破裂转速储备、所述径向破裂转速储备,以及所述挤压破裂转速储备,获取双辐板涡轮盘在发动机初始转速N、温度T条件下的综合破裂转速储备;
步骤6、根据所述综合破裂转速储备,获取双辐板涡轮盘的破裂转速。
根据本申请一种实施例,所述步骤2中包括:
对双辐板涡轮盘进行二维有限元建模,其中,所述左半盘、所述右半盘采用轴对称单元,所述盘心焊接部采用平面应力单元,根据离心力、刚度等效设置焊接部位实常数;
施加发动机的初始转速N和最高温度,获取双辐板涡轮盘在初始转速条件下的应力场。
根据本申请一种实施例,所述发动机的初始转速N为发动机最高稳态物理转速。
根据本申请一种实施例,步骤3中,根据双辐板涡轮盘的应力场,通过公式(1)分别计算双辐板涡轮盘的所述左半盘、所述右半盘和所述轮缘在发动机初始转速N、温度T条件下的周向破裂转速储备;
(1)
其中,=(/>、/>、/>),/>表示双辐板涡轮盘的左半盘的周向破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的右半盘的周向破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的轮缘的周向破裂转速储备;/>=(/>、/>、/>),单位为MPa,表示双辐板涡轮盘的左半盘在平均温度/>下的拉伸强度、/>表示双辐板涡轮盘的右半盘在平均温度/>下的拉伸强度、/>表示双辐板涡轮盘的轮缘子午面在平均温度/>下的拉伸强度;/>=(/>、/>、/>),单位为MPa,/>表示双辐板涡轮盘的左半盘的平均周向应力、/>表示双辐板涡轮盘的右半盘的平均周向应力、/>表示双辐板涡轮盘的轮缘子午面的平均周向应力;/>表示双辐板涡轮盘母材的材料利用系数,取0.8~0.9;/>表示焊接系数。
根据本申请一种实施例,步骤3中,根据双辐板涡轮盘的应力场,通过公式(2)分别计算双辐板涡轮盘的所述左半盘、所述右半盘和所述轮缘在发动机初始转速N、温度T条件下的径向破裂转速储备;
(2)
其中,=(/>、/>、/>),/>表示双辐板涡轮盘的左半盘的径向破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的右半盘的径向破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的轮缘的径向破裂转速储备;/>=(/>、/>、/>),单位为MPa,表示双辐板涡轮盘的左半盘在平均温度/>下的拉伸强度、/>表示双辐板涡轮盘的右半盘在平均温度/>下的拉伸强度、/>表示双辐板涡轮盘的轮缘径向圆柱面在平均温度/>下的拉伸强度;/>=(/>、/>、/>),单位为MPa,/>表示双辐板涡轮盘的左半盘的平均径向应力、/>表示双辐板涡轮盘的右半盘的平均径向应力、/>表示双辐板涡轮盘的轮缘径向圆柱面的平均径向应力;/>表示双辐板涡轮盘母材的材料利用系数,取0.9~1.0;/>表示焊接系数。
根据本申请一种实施例,步骤4中,通过公式(3)计算双辐板涡轮盘的所述盘心焊接部在发动机初始转速N、温度T条件下的挤压破裂转速储备;
(3)
其中,=(/>、/>、/>),/>表示双辐板涡轮盘的左半盘的挤压破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的右半盘的挤压破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的轮缘的挤压破裂转速储备;/>表示双辐板涡轮盘的盘心焊接部的平均极限拉伸强度,单位为MPa;/>表示双辐板涡轮盘焊缝位置处的平均等效应力,单位为MPa;/>表示焊接系数。
根据本申请一种实施例,步骤5中,通过公式(4)获取双辐板涡轮盘在发动机初始转速N、温度T条件下的综合破裂转速储备;
=min(/>、/>、/>)(4)
其中,=(/>、/>、/>),/>表示双辐板涡轮盘的左半盘的周向破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的右半盘的周向破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的轮缘的周向破裂转速储备;/>=(/>、/>、/>),/>表示双辐板涡轮盘的左半盘的径向破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的右半盘的径向破裂转速储备、表示双辐板涡轮盘的轮缘的径向破裂转速储备;/>=(/>、/>、/>),/>表示双辐板涡轮盘的左半盘的挤压破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的右半盘的挤压破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的轮缘的挤压破裂转速储备;/>为综合破裂转速储备。
根据本申请一种实施例,步骤6中,根据所述综合破裂转速储备,获取双辐板涡轮盘的破裂转速,包括:
判断当前转速下双辐板涡轮盘的综合破裂转速储备是否为1,若为1,则当前转速即为双辐板涡轮盘的破裂转速;
若不为1,则将转速调整为,获取该转速下的应力场,通过迭代计算,直至=1,获得双辐板涡轮盘的破裂转速;其中,N为发动机初始转速。
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:本发明实施例通过对双辐板涡轮盘进行结构分区,基于双辐板涡轮盘二维有限元仿真模型,实现对双辐板涡轮盘破裂转速的高精度和高效率预测,同时满足工程上对双辐板涡轮盘破裂转速预测精度和效率的要求。
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是本发明实施例的双辐板涡轮盘破裂转速预测方法流程示意图;
图2是本发明实施例的双辐板涡轮盘结构示意图;
其中,1-左半盘、2-右半盘、3-轮缘、4-盘心焊接部。
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。
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然,所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是,在不冲突的情况下,以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
如图1所示,本发明实施例提供了一种基于二维有限元模型的双辐板涡轮盘破裂转速预测方法,包括:
步骤1、根据双辐板涡轮盘的结构受力特点,将双辐板涡轮盘分为多个结构区域,所述多个结构区域包括左半盘、右半盘、轮缘以及盘心焊接部。
该步骤中,首先将双辐板涡轮盘在工作过程中的应力分布特点,分为左半盘1、右半盘2、轮缘3、以及盘心焊接部4,用于不同区域的破裂转速预测,具体如图2所示。
步骤2、建立双辐板涡轮盘二维有限元仿真模型,获取双辐板涡轮盘在初始转速条件下的应力场。
所述步骤2中具体包括:
(a)对双辐板涡轮盘进行二维有限元建模,其中,所述左半盘1、所述右半盘2采用轴对称单元,所述盘心焊接部4采用平面应力单元,根据离心力、刚度等效设置焊接部位实常数;
(b)施加发动机的初始转速N(一般为发动机最高稳态物理转速)和最高温度,获取双辐板涡轮盘在初始转速条件下的应力场。
步骤3、根据双辐板涡轮盘的应力场,分别计算双辐板涡轮盘的所述左半盘1、所述右半盘2和所述轮缘3在发动机初始转速N、温度T条件下的周向破裂转速储备和径向破裂转速储备。
(a)根据双辐板涡轮盘的应力场,通过公式(1)分别计算双辐板涡轮盘的所述左半盘1、所述右半盘2和所述轮缘3在发动机初始转速N、温度T条件下的周向破裂转速储备;
(1)
其中,=(/>、/>、/>),/>表示双辐板涡轮盘的左半盘的周向破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的右半盘的周向破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的轮缘的周向破裂转速储备;/>=(/>、/>、/>),单位为MPa,表示双辐板涡轮盘的左半盘在平均温度/>下的拉伸强度、/>表示双辐板涡轮盘的右半盘在平均温度/>下的拉伸强度、/>表示双辐板涡轮盘的轮缘子午面在平均温度/>下的拉伸强度;/>=(/>、/>、/>),单位为MPa,/>表示双辐板涡轮盘的左半盘的平均周向应力、/>表示双辐板涡轮盘的右半盘的平均周向应力、/>表示双辐板涡轮盘的轮缘子午面的平均周向应力;/>表示双辐板涡轮盘母材的材料利用系数,取0.8~0.9;/>表示焊接系数。
可由/>得到,其中,/>(20℃)为双辐板涡轮盘母材在室温条件下的拉伸强度,/>(20℃)为焊接后材料取样在室温条件下的拉伸强度。
(b)根据双辐板涡轮盘的应力场,通过公式(2)分别计算双辐板涡轮盘的所述左半盘1、所述右半盘2和所述轮缘3在发动机初始转速N、温度T条件下的径向破裂转速储备;
(2)
其中,=(/>、/>、/>),/>表示双辐板涡轮盘的左半盘的径向破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的右半盘的径向破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的轮缘的径向破裂转速储备;/>=(/>、/>、/>),单位为MPa,表示双辐板涡轮盘的左半盘在平均温度/>下的拉伸强度、/>表示双辐板涡轮盘的右半盘在平均温度/>下的拉伸强度、/>表示双辐板涡轮盘的轮缘径向圆柱面在平均温度/>下的拉伸强度;/>=(/>、/>、/>),单位为MPa,/>表示双辐板涡轮盘的左半盘的平均径向应力、/>表示双辐板涡轮盘的右半盘的平均径向应力、/>表示双辐板涡轮盘的轮缘径向圆柱面的平均径向应力;/>表示双辐板涡轮盘母材的材料利用系数,取0.9~1.0;/>表示焊接系数。
可由/>得到,其中/>(20℃)为双辐板涡轮盘母材在室温条件下的拉伸强度,/>(20℃)为焊接后材料取样在室温条件下的拉伸强度。
步骤4、计算双辐板涡轮盘的所述盘心焊接部4在发动机初始转速N、温度T条件下的挤压破裂转速储备。
双辐板涡轮盘盘心部位在工作过程中会产生很大的挤压应力,会导致涡轮盘在盘心部位发生挤压破裂,通过公式(3)计算双辐板涡轮盘的所述盘心焊接部在发动机初始转速N、温度T条件下的挤压破裂转速储备;
(3)
其中,=(/>、/>、/>),/>表示双辐板涡轮盘的左半盘的挤压破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的右半盘的挤压破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的轮缘的挤压破裂转速储备;/>表示双辐板涡轮盘的盘心焊接部的平均极限拉伸强度,单位为MPa;/>表示双辐板涡轮盘焊缝位置处的平均等效应力,单位为MPa;/>表示焊接系数。
可由/>得到,其中/>(20℃)为双辐板涡轮盘母材在室温条件下的拉伸强度,/>(20℃)为焊接后材料取样在室温条件下的拉伸强度。
步骤5、根据所述周向破裂转速储备、所述径向破裂转速储备,以及所述挤压破裂转速储备,获取双辐板涡轮盘在发动机初始转速N、温度T条件下的综合破裂转速储备。
在获取双辐板涡轮盘不同区域的周向、径向破裂转速储备后,通过公式(4)获取双辐板涡轮盘在发动机初始转速N、温度T条件下的综合破裂转速储备,即最小破裂转速储备;
=min(/>、/>、/>)(4)
其中,=(/>、/>、/>),/>表示双辐板涡轮盘的左半盘的周向破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的右半盘的周向破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的轮缘的周向破裂转速储备;/>=(/>、/>、/>),/>表示双辐板涡轮盘的左半盘的径向破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的右半盘的径向破裂转速储备、表示双辐板涡轮盘的轮缘的径向破裂转速储备;/>=(/>、/>、/>),/>表示双辐板涡轮盘的左半盘的挤压破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的右半盘的挤压破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的轮缘的挤压破裂转速储备;/>为综合破裂转速储备。
步骤6、根据所述综合破裂转速储备,获取双辐板涡轮盘的破裂转速。
由于双辐板涡轮盘在不同转速下其在不同区域的应力会发生变化,因此需要对双辐板涡轮盘的破裂转速进行迭代计算分析;具体如下:
首先判断当前转速下双辐板涡轮盘的综合破裂转速储备是否为1,若为1,则当前转速即为双辐板涡轮盘的破裂转速,若不为1,则进行转速调整;
调整后的转速为,重新施加/>的转速和最高温度/>,获取相应转速下的应力场,并重复步骤3、4、5、6,直至/>=1为止,获得双辐板涡轮盘的破裂转速;其中,N为发动机初始转速。
通过本发明实施例的基于二维有限元模型的双辐板涡轮盘破裂转速预测方法,能够有效提高双辐板涡轮盘的破裂转速评估精度及评估效率,满足工程要求。
以上所述,仅为本申请的具体实施方式,但本申请的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此,本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种基于二维有限元模型的双辐板涡轮盘破裂转速预测方法,其特征在于,包括:
步骤1、根据双辐板涡轮盘的结构受力特点,将双辐板涡轮盘分为多个结构区域,所述多个结构区域包括左半盘、右半盘、轮缘以及盘心焊接部;
步骤2、建立双辐板涡轮盘二维有限元仿真模型,获取双辐板涡轮盘在初始转速条件下的应力场;
步骤3、根据双辐板涡轮盘的应力场,分别计算双辐板涡轮盘的所述左半盘、所述右半盘和所述轮缘在发动机初始转速N、温度T条件下的周向破裂转速储备和径向破裂转速储备;
步骤4、计算双辐板涡轮盘的所述盘心焊接部在发动机初始转速N、温度T条件下的挤压破裂转速储备;
步骤5、根据所述周向破裂转速储备、所述径向破裂转速储备,以及所述挤压破裂转速储备,获取双辐板涡轮盘在发动机初始转速N、温度T条件下的综合破裂转速储备;
步骤6、根据所述综合破裂转速储备,获取双辐板涡轮盘的破裂转速。
2.根据权利要求1所述的双辐板涡轮盘破裂转速预测方法,其特征在于,所述步骤2中包括:
对双辐板涡轮盘进行二维有限元建模,其中,所述左半盘、所述右半盘采用轴对称单元,所述盘心焊接部采用平面应力单元,根据离心力、刚度等效设置焊接部位实常数;
施加发动机的初始转速N和最高温度,获取双辐板涡轮盘在初始转速条件下的应力场。
3.根据权利要求2所述的双辐板涡轮盘破裂转速预测方法,其特征在于,所述发动机的初始转速N为发动机最高稳态物理转速。
4.根据权利要求1所述的双辐板涡轮盘破裂转速预测方法,其特征在于,步骤3中,根据双辐板涡轮盘的应力场,通过公式(1)分别计算双辐板涡轮盘的所述左半盘、所述右半盘和所述轮缘在发动机初始转速N、温度T条件下的周向破裂转速储备;
(1)
其中,=(/>、/>、/>),/>表示双辐板涡轮盘的左半盘的周向破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的右半盘的周向破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的轮缘的周向破裂转速储备;/>=(/>、/>、/>),单位为MPa,表示双辐板涡轮盘的左半盘在平均温度/>下的拉伸强度、/>表示双辐板涡轮盘的右半盘在平均温度/>下的拉伸强度、/>表示双辐板涡轮盘的轮缘子午面在平均温度/>下的拉伸强度;/>=(/>、/>、/>),单位为MPa,/>表示双辐板涡轮盘的左半盘的平均周向应力、/>表示双辐板涡轮盘的右半盘的平均周向应力、/>表示双辐板涡轮盘的轮缘子午面的平均周向应力;/>表示双辐板涡轮盘母材的材料利用系数,取0.8~0.9;/>表示焊接系数。
5.根据权利要求4所述的双辐板涡轮盘破裂转速预测方法,其特征在于,步骤3中,根据双辐板涡轮盘的应力场,通过公式(2)分别计算双辐板涡轮盘的所述左半盘、所述右半盘和所述轮缘在发动机初始转速N、温度T条件下的径向破裂转速储备;
(2)
其中,=(/>、/>、/>),/>表示双辐板涡轮盘的左半盘的径向破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的右半盘的径向破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的轮缘的径向破裂转速储备;/>=(/>、/>、/>),单位为MPa,/>表示双辐板涡轮盘的左半盘在平均温度/>下的拉伸强度、/>表示双辐板涡轮盘的右半盘在平均温度/>下的拉伸强度、/>表示双辐板涡轮盘的轮缘径向圆柱面在平均温度/>下的拉伸强度;/>=(/>、/>、/>),单位为MPa,/>表示双辐板涡轮盘的左半盘的平均径向应力、/>表示双辐板涡轮盘的右半盘的平均径向应力、/>表示双辐板涡轮盘的轮缘径向圆柱面的平均径向应力;/>表示双辐板涡轮盘母材的材料利用系数,取0.9~1.0;/>表示焊接系数。
6.根据权利要求5所述的双辐板涡轮盘破裂转速预测方法,其特征在于,步骤4中,通过公式(3)计算双辐板涡轮盘的所述盘心焊接部在发动机初始转速N、温度T条件下的挤压破裂转速储备;
(3)
其中,=(/>、/>、/>),/>表示双辐板涡轮盘的左半盘的挤压破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的右半盘的挤压破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的轮缘的挤压破裂转速储备;/>表示双辐板涡轮盘的盘心焊接部的平均极限拉伸强度,单位为MPa;/>表示双辐板涡轮盘焊缝位置处的平均等效应力,单位为MPa;/>表示焊接系数。
7.根据权利要求6所述的双辐板涡轮盘破裂转速预测方法,其特征在于,步骤5中,通过公式(4)获取双辐板涡轮盘在发动机初始转速N、温度T条件下的综合破裂转速储备;
=min(/>、/>、/>)(4)
其中,=(/>、/>、/>),/>表示双辐板涡轮盘的左半盘的周向破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的右半盘的周向破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的轮缘的周向破裂转速储备;/>=(/>、/>、/>),/>表示双辐板涡轮盘的左半盘的径向破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的右半盘的径向破裂转速储备、表示双辐板涡轮盘的轮缘的径向破裂转速储备;/>=(/>、/>、/>),/>表示双辐板涡轮盘的左半盘的挤压破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的右半盘的挤压破裂转速储备、/>表示双辐板涡轮盘的轮缘的挤压破裂转速储备;/>为综合破裂转速储备。
8.根据权利要求7所述的双辐板涡轮盘破裂转速预测方法,其特征在于,步骤6中,根据所述综合破裂转速储备,获取双辐板涡轮盘的破裂转速,包括:
判断当前转速下双辐板涡轮盘的综合破裂转速储备是否为1,若为1,则当前转速即为双辐板涡轮盘的破裂转速;
若不为1,则将转速调整为,获取该转速下的应力场,通过迭代计算,直至/>=1,获得双辐板涡轮盘的破裂转速;其中,N为发动机初始转速。
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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 |
CN114330055A (zh) * | 2021-12-20 | 2022-04-12 | 南京航空航天大学 | 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 |
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2024
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