本發(fā)明涉及航空發(fā)動機渦輪葉片檢測校驗技術(shù)領(lǐng)域，特別地，涉及一種基于梁理論的渦輪葉片非線性蠕變分析方法。

背景技術(shù)：

渦輪葉片是發(fā)動機中工作環(huán)境最惡劣的零件，渦輪葉片蠕變變形及蠕變持久斷裂是渦輪葉片失效的重要模式，渦輪葉片蠕變分析是發(fā)動機設(shè)計及外場監(jiān)控的重要內(nèi)容。蠕變是一種隨時間增長的非線性變形，葉片蠕變與工作溫度、應(yīng)力水平及持續(xù)時間相關(guān)。

現(xiàn)有葉片蠕變分析一般采用通用的三維有限元方法，在本構(gòu)方程中考慮蠕變，通過材料蠕變參數(shù)及離散化的結(jié)構(gòu)剛度并施加相應(yīng)的邊界條件來模擬結(jié)構(gòu)的蠕變。三維有限元蠕變分析耗時長、效率低，難以適應(yīng)多方案、多工況、長壽命葉片設(shè)計分析及葉片使用壽命監(jiān)控的需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于梁理論的渦輪葉片非線性蠕變分析方法，以解決現(xiàn)有三維有限元蠕變分析耗時長、效率低，難以適應(yīng)多方案、多工況、長壽命葉片設(shè)計分析及葉片壽命實時監(jiān)控的技術(shù)問題。

本發(fā)明提供一種基于梁理論的渦輪葉片非線性蠕變分析方法，包括以下步驟：a、確定渦輪葉片工作范圍內(nèi)的多個溫度下的材料蠕變參數(shù)；b、將渦輪葉片的工作時間分成多個時間步；c、選取渦輪葉片的多個截面并劃分劃分網(wǎng)格；d、基于梁理論，獲取各個時間步葉片蠕變和蠕變松弛后的應(yīng)力及持久損傷；e、獲取葉片蠕變伸長及蠕變持久損傷。

進一步地，步驟a的具體實施步驟為：確定葉片工作溫度范圍內(nèi)至少三個溫度下的材料蠕變方程參數(shù)，特定溫度下的材料蠕變方程為

ε^c＝Aσ^mt^p

其中，A為常數(shù)、m為應(yīng)力指數(shù)、p為溫度指數(shù)，A、m、p由材料蠕變試驗曲線而定，ε^c為蠕變應(yīng)變，σ為應(yīng)力，t為時間；根據(jù)多個溫度下的蠕變試驗可以得到不同溫度下的蠕變方程；在材料蠕變試驗數(shù)據(jù)有限的情況下，根據(jù)離散的材料蠕變極限構(gòu)造蠕變試驗曲線。

進一步地，步驟c的具體實施步驟為：沿渦輪葉片的葉身截取徑向截面，并沿葉身的軸向截取多個徑向截面；將每個徑向截面劃分成多個由三角形網(wǎng)格單元構(gòu)成的截面網(wǎng)格；相鄰三角形網(wǎng)格單元交接之間形成節(jié)點。

進一步地，步驟d的具體實施步驟為：根據(jù)徑向截面平面假設(shè)，采用梁理論和數(shù)值方法獲取渦輪葉片初始時刻在徑向截面各節(jié)點位置的拉伸和彎曲應(yīng)力；在假設(shè)平面上選取節(jié)點j點，初始時刻應(yīng)力為σ_j(0)，在經(jīng)過第1個時間段Δ₁t后，假定在此時間段中j點均承受σ_j(0)應(yīng)力的作用，根據(jù)材料的蠕變方程，獲取Δ₁t時刻的蠕變應(yīng)變增量根據(jù)徑向截面平面假設(shè)，考慮蠕變應(yīng)變增量采取數(shù)值方法獲取j點總應(yīng)變增量Δ₁ε_j。

進一步地，j點Δ₁t時刻的應(yīng)力增量為：

其中，E_j為j點的彈性模量；

j點Δ₁t時刻的應(yīng)力為：

σ_j(1)＝σ_j(0)+Δ₁σ_j。

進一步地，根據(jù)i-1時刻的應(yīng)力σ_j(i-1)及材料的蠕變方程，獲取Δ_it時刻對應(yīng)的j點的蠕變應(yīng)變增量根據(jù)徑向截面平面假設(shè)，考慮蠕變應(yīng)變增量采用數(shù)值方式獲取j點總應(yīng)變增量Δ_iε_j。

進一步地，Δ_it對應(yīng)的j點應(yīng)力增量為：

其中，E_j為j點的彈性模量；

i時刻j點的應(yīng)力為：

σ_j(i)＝σ_j(i-1)+Δ_iσ_j。

進一步地，獲取外荷載作用時間內(nèi)j點的等效應(yīng)力；獲取外荷載作用時間內(nèi)j點的蠕變持久強度儲備；獲取在多個工況共同作用下j點蠕變持久強度儲備。

進一步地，對于兩個相鄰徑向截面k截面和k+1截面對應(yīng)的節(jié)點，蠕變伸長量為：

其中，ε_k+1為k+1截面對應(yīng)點的蠕變量，ε_k為k截面對應(yīng)點的蠕變量，h_k+1為k+1截面對應(yīng)點的葉高，h_k為k截面對應(yīng)點的葉高；得到整個葉高的蠕變伸長量為：

進一步地，步驟e的具體實施步驟為：重復(fù)步驟d，以獲取所有徑向截面的各個節(jié)點的應(yīng)力、強度儲備及蠕變伸長量計算結(jié)果，根據(jù)累計損傷原理獲取工作時間內(nèi)渦輪葉片各個節(jié)點的持久損傷。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明基于梁理論的渦輪葉片非線性蠕變分析方法，考慮了渦輪葉片蠕變的主要因素，獲取便捷、精度可滿足工程實用要求，相較于現(xiàn)有的三維有限元方法，獲取效率提高數(shù)百倍，適用于多方案葉片對比分析、全壽命葉片蠕變分析及渦輪葉片在線壽命監(jiān)控，工程實用性更好。使用本方法對多型發(fā)動渦輪葉片蠕變伸長和持久壽命進行了分析校驗，發(fā)動機長試結(jié)果表明，獲取的數(shù)據(jù)精度可滿足工程實用要求，達到了預(yù)期效果。

除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點。下面將參照圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當限定。在附圖中：

圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施例的基于梁理論的渦輪葉片非線性蠕變分析方法的步驟流程圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明，但是本發(fā)明可以由下述所限定和覆蓋的多種不同方式實施。

圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施例的基于梁理論的渦輪葉片非線性蠕變分析方法的步驟流程圖。如圖1所示，本實施例的基于梁理論的渦輪葉片非線性蠕變分析方法，包括以下步驟：a、確定渦輪葉片工作范圍內(nèi)的多個溫度下的材料蠕變參數(shù)；b、將渦輪葉片的工作時間分成多個時間步；c、選取渦輪葉片的多個截面并劃分劃分網(wǎng)格；d、基于梁理論，獲取各個時間步葉片蠕變和蠕變松弛后的應(yīng)力及持久損傷；e、獲取葉片蠕變伸長及蠕變持久損傷?？蛇x地，步驟b與步驟c的實施順序可以調(diào)換。本發(fā)明基于梁理論的渦輪葉片非線性蠕變分析方法，考慮了渦輪葉片蠕變的主要因素，獲取便捷、精度可滿足工程實用要求，相較于現(xiàn)有的三維有限元方法，獲取效率提高數(shù)百倍，適用于多方案葉片對比分析、全壽命葉片蠕變分析及渦輪葉片在線壽命監(jiān)控，工程實用性更好。使用本方法對多型發(fā)動渦輪葉片蠕變伸長和持久壽命進行了分析校驗，發(fā)動機長試結(jié)果表明，獲取的數(shù)據(jù)精度可滿足工程實用要求，達到了預(yù)期效果。梁理論就是把彈性理論的三維問題簡化為一維問題。

本實施例中，步驟a的具體實施步驟為：確定葉片工作溫度范圍內(nèi)至少三個溫度下的材料蠕變方程參數(shù)，特定溫度下的材料蠕變方程為

ε^c＝Aσ^mt^p

其中，A為常數(shù)、m為應(yīng)力指數(shù)、p為溫度指數(shù)，A、m、p由材料蠕變試驗曲線而定，ε^c為蠕變應(yīng)變，σ為應(yīng)力，t為時間；根據(jù)多個溫度下的蠕變試驗可以得到不同溫度下的蠕變方程；在材料蠕變試驗數(shù)據(jù)有限的情況下，根據(jù)離散的材料蠕變極限構(gòu)造蠕變試驗曲線。

本實施例中，步驟c的具體實施步驟為：沿渦輪葉片的葉身截取徑向截面，并沿葉身的軸向截取多個徑向截面；將每個徑向截面劃分成多個由三角形網(wǎng)格單元構(gòu)成的截面網(wǎng)格；相鄰三角形網(wǎng)格單元交接之間形成節(jié)點。

本實施例中，步驟d的具體實施步驟為：根據(jù)徑向截面平面假設(shè)，采用梁理論和數(shù)值方法獲取渦輪葉片初始時刻在徑向截面各節(jié)點位置的拉伸和彎曲應(yīng)力；在假設(shè)平面上選取節(jié)點j點，初始時刻應(yīng)力為σ_j(0)，在經(jīng)過第1個時間段Δ₁t后，假定在此時間段中j點均承受σ_j(0)應(yīng)力的作用，根據(jù)材料的蠕變方程，獲取Δ₁t時刻的蠕變應(yīng)變增量根據(jù)徑向截面平面假設(shè)，考慮蠕變應(yīng)變增量采取數(shù)值方法獲取j點總應(yīng)變增量Δ₁ε_j。

本實施例中，j點Δ₁t時刻的應(yīng)力增量為：

其中，E_j為j點的彈性模量；

j點Δ₁t時刻的應(yīng)力為：

σ_j(1)＝σ_j(0)+Δ₁σ_j。

本實施例中，根據(jù)i-1時刻的應(yīng)力σ_j(i-1)及材料的蠕變方程，獲取Δ_it時刻對應(yīng)的j點的蠕變應(yīng)變增量根據(jù)徑向截面平面假設(shè)，考慮蠕變應(yīng)變增量采用數(shù)值方式獲取j點總應(yīng)變增量Δ_iε_j。

本實施例中，Δ_it對應(yīng)的j點應(yīng)力增量為：

其中，E_j為j點的彈性模量；

i時刻j點的應(yīng)力為：

σ_j(i)＝σ_j(i-1)+Δ_iσ_j。

本實施例中，獲取外荷載作用時間內(nèi)j點的等效應(yīng)力；獲取外荷載作用時間內(nèi)j點的蠕變持久強度儲備；獲取在多個工況共同作用下j點蠕變持久強度儲備。

本實施例中，對于兩個相鄰徑向截面k截面和k+1截面對應(yīng)的節(jié)點，蠕變伸長量為：

其中，ε_k+1為k+1截面對應(yīng)點的蠕變量，ε_k為k截面對應(yīng)點的蠕變量，h_k+1為k+1截面對應(yīng)點的葉高，h_k為k截面對應(yīng)點的葉高；

得到整個葉高的蠕變伸長量為：

本實施例中，步驟e的具體實施步驟為：重復(fù)步驟d，以獲取所有徑向截面的各個節(jié)點的應(yīng)力、強度儲備及蠕變伸長量計算結(jié)果，根據(jù)累計損傷原理獲取工作時間內(nèi)渦輪葉片各個節(jié)點的持久損傷。

實施時，提供一種渦輪葉片蠕變獲取的便捷方法。主要思路為：將工作時間分成若干時間步；基于梁理論，獲取各時間步葉片蠕變、蠕變松弛后的應(yīng)力及持久損傷；最終計算葉片蠕變伸長及蠕變持久損傷。具體步驟為：

(1)確定葉片工作溫度范圍內(nèi)，至少3個溫度下的材料蠕變方程參數(shù)；

(2)將工作時間分成若干時間步；

(3)選取葉片若干截面并劃分網(wǎng)格；

(4)獲取截面各節(jié)點拉伸、彎曲應(yīng)力；

(5)根據(jù)節(jié)點溫度和應(yīng)力及時間步長，計算各節(jié)點蠕變應(yīng)變；

(6)獲取蠕變松弛后節(jié)點應(yīng)力，獲取一個時間步的蠕變持久損傷；

根據(jù)步驟(3)-(6)，計算工作時間內(nèi)各時間步的蠕變、應(yīng)力及持久損傷；

計算葉片蠕變伸長量，對于兩相鄰截面對應(yīng)的節(jié)點，蠕變伸長量為

整個葉片的蠕變伸長量為

根據(jù)累積損傷原理，計算工作時間內(nèi)葉片各節(jié)點持久損傷。

基于梁理論的渦輪葉片非線性蠕變分析方法，基于梁理論的葉片非線性蠕變獲??；非規(guī)則形狀截面應(yīng)力數(shù)值獲取；考慮蠕變松弛的的葉片持久壽命獲取；基于截面應(yīng)變的葉片蠕變伸長量獲?。磺笆鲇嬎懔鞒?。本方法考慮了葉片蠕變的主要因素，獲取便捷、精度可滿足工程實用要求，相較于現(xiàn)有的三維有限元方法，獲取效率提高數(shù)百倍，適用于多方案葉片對比分析、全壽命葉片蠕變分析及渦輪葉片在線壽命監(jiān)控，工程實用性更好。使用上述方法能夠獲取多型發(fā)動渦輪葉片蠕變伸長和持久壽命，發(fā)動機長試結(jié)果表明，獲取數(shù)據(jù)精度可滿足工程實用要求，達到了預(yù)期效果。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。