CN117634052B - 一种金属基复合材料叶环增强芯准确定位设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种金属基复合材料叶环增强芯准确定位设计方法，涉及航空发动机技术领域。包括：根据金属基复合材料叶环的结构设计，确定其毛坯尺寸；获取金属基体材料和金属基复合材料的性能，和金属基复合材料热等静压固化温度；根据毛坯尺寸、金属基体材料和金属基复合材料的性能、热等静压固化温度，计算叶环毛坯的热残余应力，模拟增强芯的轴向和径向变形量，在其中提取叶环复合材料与金属界面上所有节点的轴向和径向变形量，将所有节点的轴向和径向变形量分别与原始轴向和径向坐标值叠加，对金属基复合材料叶环毛坯尺寸进行修正。本发明通过对金属基复合材料叶环毛坯图的增强芯位置进行修正，实现了对金属基复合材料叶环增强芯的准确定位。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域，具体涉及一种金属基复合材料叶环增强芯准确定位设计方法。
背景技术
轮盘是航空发动机的关重零件，常规金属整体叶盘结构虽然省去了榫连接结构，相对于盘榫连接叶盘有了一定的减重，但其难以满足更高推重比发动机的需要，制约了高推重比发动机的发展。要在已广泛采用整体叶盘结构的发动机的基础上实现进一步的减重，具有更高比强度的金属基复合材料叶环结构将成为新一代转子结构，其结构如图1所示，包括了金属叶片及包套1、复合材料与金属界面2和复合材料3。
而航空发动机属于高精尖技术产品，其安全性和耐久性要求很高，金属基复合材料叶环结构是一种新型结构，而复合材料由于其特殊的加工工艺以及各个组分间不同的性能，导致其制备毛坯过程中不可避免产生较大的热残余应力，这些热残余应力将导致在后续车削加工过程中，随着基体材料的减少，叶环构件发生不可逆的变形，无法保证其增强芯的设计尺寸，产生位置超差，甚至影响金属基复合材料的叶环强度性能。
发明内容
针对新型航空发动机用SiC纤维连续纤维增强的金属基复合材料叶环结构，在制备过程中因残余应力产生的不可逆变形引起的复合材料增强芯位置偏移，进而导致复合材料叶环加工超差的技术问题。本申请实施例提供一种金属基复合材料叶环增强芯准确定位设计方法，以进行SiC纤维连续增强的金属基复合材料叶环结构增强芯准确定位设计。
本申请实施例提供以下技术方案：一种金属基复合材料叶环增强芯准确定位设计方法，包括：
根据金属基复合材料叶环的结构设计，确定金属基复合材料叶环的毛坯尺寸；
分别获取金属基体材料的性能、金属基复合材料的性能，以及金属基复合材料热等静压固化温度；
根据所述毛坯尺寸、所述金属基体材料的性能、所述金属基复合材料的性能和所述金属基复合材料热等静压固化温度，计算叶环毛坯的热残余应力；
根据所述叶环毛坯的热残余应力，模拟机械加工材料去除后的金属基复合材料叶环增强芯的轴向和径向变形量，在所述轴向和径向变形量中提取叶环复合材料与金属界面上所有节点的轴向和径向变形量，并获取叶环复合材料与金属界面上所有节点的原始轴向和径向坐标值；
将叶环复合材料与金属界面上所有节点的轴向和径向变形量分别与所述原始轴向和径向坐标值进行叠加，对金属基复合材料叶环的所述毛坯尺寸进行修正。
根据本申请一种实施例，根据金属基复合材料叶环的结构设计，确定金属基复合材料叶环的毛坯尺寸，包括：
根据金属基复合材料叶环的结构设计的叶环外轮廓尺寸，对该叶环外轮廓尺寸分别增加2-5mm的余量，得到所述毛坯尺寸。
根据本申请一种实施例，所述金属基体材料的性能和所述金属基复合材料的性能均包括：弹性模量、剪切模量、泊松比、线膨胀系数以及密度；其中，所述金属基体材料的性能通过查询材料性能手册获取，所述金属基复合材料的性能采用混合率法获取。
根据本申请一种实施例，所述金属基复合材料的密度通过公式（1）计算：
（1）
其中，为金属基复合材料密度，/>为纤维密度，/>为纤维体积分数，/>为基体密度，/>为基体体积分数。
根据本申请一种实施例，所述金属基复合材料的弹性模量包括纵向弹性模量和横向弹性模量；
所述纵向弹性模量通过公式（2）计算：
（2）
所述横向弹性模量通过公式（3）计算：
（3）
其中，为纵向弹性模量，/>为纤维模量，/>为纤维体积分数，/>为基体模量，为基体体积分数，/>为横向弹性模量。
根据本申请一种实施例，所述金属基复合材料的泊松比包括纵向面内泊松比和横向面内泊松比；
所述纵向面内泊松比通过公式（4）计算：
（4）
所述横向面内泊松比通过公式（5）和公式（6）计算：
（5）
（6）
其中，为纵向面内泊松比，/>为横向面内泊松比，/>为纤维泊松比，/>为纤维体积分数，/>为金属基体泊松比，/>为基体体积分数，/>为修正系数。
根据本申请一种实施例，所述金属基复合材料的剪切模量通过公式（7）计算：
（7）
其中，为纵横剪切模量，/>为纤维体积分数，/>为基体体积分数，/>为金属基体剪切模量，/>为纤维剪切模量。
根据本申请一种实施例，所述金属基复合材料的线膨胀系数包括纵向线膨胀系数和横向线膨胀系数；
所述纵向线膨胀系数通过公式（8）计算：
（8）
所述横向线膨胀系数通过公式（9）计算：
（9）
其中，为纵向线膨胀系数，/>为横向线膨胀系数，/>为基体模量，/>为金属基体线膨胀系数，/>为基体体积分数，/>为纤维模量，/>为纤维线膨胀系数，/>为纤维体积分数，/>为金属基体泊松比，/>为纤维泊松比。
根据本申请一种实施例，根据所述毛坯尺寸、所述金属基体材料的性能、所述金属基复合材料的性能和所述金属基复合材料热等静压固化温度，计算叶环毛坯的热残余应力，包括：
利用所述毛坯尺寸建立轴对称有限元模型，以所述金属基体材料的性能、所述金属基复合材料的性能和所述金属基复合材料热等静压固化温度为输入，在室温下对叶环毛坯制备过程残余应力进行仿真，计算得到叶环毛坯的热残余应力。
根据本申请一种实施例，根据所述叶环毛坯的热残余应力，模拟机械加工材料去除后的金属基复合材料叶环增强芯的轴向和径向变形量，包括：
将所述叶环毛坯的热残余应力作为初始应力施加在所述轴对称有限元模型上，利用有限元软件的逆运算方法和生死单元，模拟机械加工材料去除后的金属基复合材料叶环增强芯的轴向和径向变形量。
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：本发明实施例基于金属基复合材料制备工艺，考虑毛坯制备过程中产生的残余应力对后续金属基复合材料机械加工不可控变形的影响，提出了一种金属基复合材料叶环结构增强芯精确定位设计方法。本方法通过仿真分析获得叶环毛坯机械加工后增强芯的残余变形，逆向将其叠加在增强芯边界的原始坐标值中，对金属基复合材料叶环毛坯图的增强芯位置进行修正，达到了对金属基复合材料叶环增强芯准确定位的目的。本方法可应用于SiC纤维增强的金属基复合材料叶环结构增强芯位置的精确设计，可大大降低增强芯位置超差的风险。
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为SiC纤维增强的金属基复合材料叶环结构示意图；
图2为本发明实施例的设计方法流程示意图；
图3为本发明实施例中叶环毛坯子午面设计图；
图4是本发明实施例中经过精确定位设计的叶环毛坯图；
其中，1-金属叶片及包套；2-复合材料与金属界面；3-复合材料；4-叶环实际轮廓；5-叶环毛坯边界；6-叶环设计增强芯位置；7-叶环毛坯增强芯位置。
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2所示，本发明实施例提供了一种金属基复合材料叶环增强芯准确定位设计方法，包括：
S101.根据金属基复合材料叶环的结构设计，确定金属基复合材料叶环的毛坯尺寸。
该过程中，金属基复合材料叶环内部热残余应力与毛坯尺寸相关，应尽量避免多余的金属基体材料，将机械加工过程中所产生的残余应力变化控制在较小范围，因此依据金属基复合材料叶环设计图纸的外轮廓，对金属基复合材料的叶环实际轮廓4的尺寸各取单边2-5mm的余量，获得叶环毛坯边界5，得到复合材料叶环的毛坯尺寸，毛坯设计如图3所示。
S102.分别获取金属基体材料的性能、金属基复合材料的性能，以及金属基复合材料热等静压固化温度。
该过程中，金属基复合材料热等静压固化温度，通过毛坯制备单位的工艺参数直接获取。需要获取的材料性能包括，弹性模量、剪切模量、泊松比、线膨胀系数以及密度，其中金属基复合材料为各项异性，需要获取沿纤维方向（L向）和垂直纤维方向（T向）的性能，金属基体材料性能可由相应材料性能手册直接查得。因金属基复合材料实测性能获取较为复杂，本实施例采用混合率法获取，各性能获取公式见下式（1）～式（9）。
所述金属基复合材料的密度通过公式（1）计算：
（1）
所述金属基复合材料的弹性模量包括纵向弹性模量和横向弹性模量；
所述纵向弹性模量通过公式（2）计算：
（2）
所述横向弹性模量通过公式（3）计算：
（3）
所述金属基复合材料的泊松比包括纵向面内泊松比和横向面内泊松比；
所述纵向面内泊松比通过公式（4）计算：
（4）
所述横向面内泊松比通过公式（5）和公式（6）计算：
（5）
（6）
所述金属基复合材料的剪切模量通过公式（7）计算：
（7）
所述金属基复合材料的线膨胀系数包括纵向线膨胀系数和横向线膨胀系数；
所述纵向线膨胀系数通过公式（8）计算：
（8）
所述横向线膨胀系数通过公式（9）计算：
（9）
上式（1）～式（9）中，为金属基复合材料密度，/>为纤维密度，/>为纤维体积分数，/>为基体密度，/>为基体体积分数，/>为纵向弹性模量，/>为纤维模量，/>为基体模量，/>为横向弹性模量，/>为纵向面内泊松比，/>为横向面内泊松比，/>为纤维泊松比，/>为金属基体泊松比，/>为修正系数，/>为纵横剪切模量，/>为金属基体剪切模量，/>为纤维剪切模量，/>为纵向线膨胀系数，/>为横向线膨胀系数，/>为金属基体线膨胀系数，/>为纤维线膨胀系数。
S103.根据所述毛坯尺寸、所述金属基体材料的性能、所述金属基复合材料的性能和所述金属基复合材料热等静压固化温度，计算叶环毛坯的热残余应力。
该过程中，通过有限元仿真软件，利用所述金属基复合材料叶环的毛坯尺寸建立轴对称有限元模型，以所述金属基体材料和金属基复合材料的性能和所述金属基复合材料热等静压固化温度为输入，对叶环毛坯制备过程残余应力进行仿真，计算室温下叶环毛坯的热残余应力。
S104.根据所述叶环毛坯的热残余应力，模拟机械加工材料去除后的金属基复合材料叶环增强芯的轴向和径向变形量，在所述轴向和径向变形量中提取叶环复合材料与金属界面上所有节点的轴向和径向变形量，并获取叶环复合材料与金属界面上所有节点的原始轴向和径向坐标值。
该过程中，将所述叶环毛坯的热残余应力作为初始应力施加在所述轴对称有限元模型上，利用有限元软件的逆运算方法和生死单元，模拟机械加工材料去除后的金属基复合材料叶环增强芯的轴向和径向变形量。在所述轴向和径向变形量中提取叶环复合材料与金属界面上所有节点的轴向和径向变形量，并通过有限元模型获取叶环复合材料与金属界面上所有节点的原始轴向和径向坐标值。
S105.将叶环复合材料与金属界面上所有节点的轴向和径向变形量分别与所述原始轴向和径向坐标值进行叠加，对金属基复合材料叶环的所述毛坯尺寸进行修正。
本步骤中，对上述步骤中提取的金属基复合材料叶环复合材料与金属界面上所有节点的坐标点原始轴向和径向坐标值和变形量进行叠加，即可得到修正后的复合材料与金属界面节点坐标点坐标，在CAD软件中按照修正的复合材料与金属界面节点坐标点坐标进行建模，即可得到金属基复合材料叶环增强芯精确定位设计的金属基复合材料毛坯图，如图4所示，叶环毛坯增强芯位置7通过修正后得到叶环设计增强芯位置6，进而通过毛坯和机械加工可得到与叶环设计图符合性高的叶环实物，可避免增强芯因残余应力导致的位置超差。
本发明通过仿真分析获得叶环毛坯机械加工后增强芯的残余变形，逆向将其叠加在增强芯边界的原始坐标值中，对金属基复合材料叶环毛坯图的增强芯位置进行修正，达到了对金属基复合材料叶环增强芯准确定位的目的。
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 (4)
1.一种金属基复合材料叶环增强芯准确定位设计方法，其特征在于，包括：
根据金属基复合材料叶环的结构设计，确定金属基复合材料叶环的毛坯尺寸；
分别获取金属基体材料的性能、金属基复合材料的性能，以及金属基复合材料热等静压固化温度；
根据所述毛坯尺寸、所述金属基体材料的性能、所述金属基复合材料的性能和所述金属基复合材料热等静压固化温度，计算叶环毛坯的热残余应力；
根据所述叶环毛坯的热残余应力，模拟机械加工材料去除后的金属基复合材料叶环增强芯的轴向和径向变形量，在所述轴向和径向变形量中提取叶环复合材料与金属界面上所有节点的轴向和径向变形量，并获取叶环复合材料与金属界面上所有节点的原始轴向和径向坐标值；
将叶环复合材料与金属界面上所有节点的轴向和径向变形量分别与所述原始轴向和径向坐标值进行叠加，对金属基复合材料叶环的所述毛坯尺寸进行修正；
所述金属基体材料的性能和所述金属基复合材料的性能均包括：弹性模量、剪切模量、泊松比、线膨胀系数以及密度；其中，所述金属基体材料的性能通过查询材料性能手册获取，所述金属基复合材料的性能采用混合率法获取；
所述金属基复合材料的密度通过公式（1）计算：
（1）
其中，为金属基复合材料密度，/>为纤维密度，/>为纤维体积分数，/>为基体密度，/>为基体体积分数；
所述金属基复合材料的弹性模量包括纵向弹性模量和横向弹性模量；
所述纵向弹性模量通过公式（2）计算：
（2）
所述横向弹性模量通过公式（3）计算：
（3）
其中，为纵向弹性模量，/>为纤维模量，/>为纤维体积分数，/>为基体模量，/>为基体体积分数，/>为横向弹性模量；
所述金属基复合材料的泊松比包括纵向面内泊松比和横向面内泊松比；
所述纵向面内泊松比通过公式（4）计算：
（4）
所述横向面内泊松比通过公式（5）和公式（6）计算：
（5）
（6）
其中，为纵向面内泊松比，/>为横向面内泊松比，/>为纤维泊松比，/>为纤维体积分数，/>为金属基体泊松比，/>为基体体积分数， />为修正系数；
所述金属基复合材料的剪切模量通过公式（7）计算：
（7）
其中，为纵横剪切模量，/>为纤维体积分数，/>为基体体积分数，/>为金属基体剪切模量，/>为纤维剪切模量；
所述金属基复合材料的线膨胀系数包括纵向线膨胀系数和横向线膨胀系数；
所述纵向线膨胀系数通过公式（8）计算：
（8）
所述横向线膨胀系数通过公式（9）计算：
（9）
其中，为纵向线膨胀系数，/>为横向线膨胀系数，/>为基体模量，/>为金属基体线膨胀系数，/>为基体体积分数，/>为纤维模量，/>为纤维线膨胀系数，/>为纤维体积分数，/>为金属基体泊松比，/>为纤维泊松比。
2.根据权利要求1所述的金属基复合材料叶环增强芯准确定位设计方法，其特征在于，根据金属基复合材料叶环的结构设计，确定金属基复合材料叶环的毛坯尺寸，包括：
根据金属基复合材料叶环的结构设计的叶环外轮廓尺寸，对该叶环外轮廓尺寸分别增加2-5mm的余量，得到所述毛坯尺寸。
3.根据权利要求1所述的金属基复合材料叶环增强芯准确定位设计方法，其特征在于，根据所述毛坯尺寸、所述金属基体材料的性能、所述金属基复合材料的性能和所述金属基复合材料热等静压固化温度，计算叶环毛坯的热残余应力，包括：
利用所述毛坯尺寸建立轴对称有限元模型，以所述金属基体材料的性能、所述金属基复合材料的性能和所述金属基复合材料热等静压固化温度为输入，在室温下对叶环毛坯制备过程残余应力进行仿真，计算得到叶环毛坯的热残余应力。
4.根据权利要求3所述的金属基复合材料叶环增强芯准确定位设计方法，其特征在于，根据所述叶环毛坯的热残余应力，模拟机械加工材料去除后的金属基复合材料叶环增强芯的轴向和径向变形量，包括：
将所述叶环毛坯的热残余应力作为初始应力施加在所述轴对称有限元模型上，利用有限元软件的逆运算方法和生死单元，模拟机械加工材料去除后的金属基复合材料叶环增强芯的轴向和径向变形量。
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| CN117634052A (zh) | 2024-03-01 |
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