本發(fā)明涉及一種葉片結(jié)構(gòu)模擬件的試驗(yàn)方法，可用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)等葉片結(jié)構(gòu)疲勞壽命、持久壽命等的測(cè)試。

背景技術(shù)：

航空發(fā)動(dòng)機(jī)、地面燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)等葉輪機(jī)械需經(jīng)歷啟動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)和停車等過程，在離心載荷、熱載荷、氣動(dòng)載荷的共同作用下，結(jié)構(gòu)容易發(fā)生高周疲勞損傷、低周疲勞損傷、蠕變損傷以及交互作用損傷破壞。據(jù)美國(guó)軍用飛機(jī)的統(tǒng)計(jì)表明，航空發(fā)動(dòng)機(jī)事故中90％以上是由于零部件強(qiáng)度和疲勞破壞導(dǎo)致的。作為葉輪機(jī)械的核心零部件，壓氣機(jī)葉片、渦輪葉片是葉輪機(jī)械中工作環(huán)境最為惡劣的結(jié)構(gòu)之一，更容易發(fā)生損傷破壞，因此準(zhǔn)確預(yù)測(cè)壓氣機(jī)葉片、渦輪葉片(包括導(dǎo)向葉片和工作葉片)的工作壽命，對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等葉輪機(jī)械的設(shè)計(jì)具有重要意義。

由于開展壓氣機(jī)葉片、渦輪葉片壽命試驗(yàn)手段相對(duì)較少、成本相對(duì)較高，因此通常先利用材料壽命試驗(yàn)(gb/t2039-1997金屬拉伸蠕變及持久試驗(yàn)方法等)獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用帶切口的圓棒、平板模擬件，以及薄壁圓管模擬件試驗(yàn)來推測(cè)葉片實(shí)際服役壽命。雖然帶切口的圓棒、平板模擬件，薄壁圓管模擬件一定程度上反應(yīng)了服役過程中葉片所處的復(fù)雜/多軸應(yīng)力狀態(tài)，但是由于與實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)差別較大，基于現(xiàn)有模擬件試驗(yàn)開展的葉片設(shè)計(jì)往往導(dǎo)致裝機(jī)事故頻發(fā)，嚴(yán)重影響了航空發(fā)動(dòng)機(jī)等葉輪機(jī)械的研制和安全服役。因此需要發(fā)展一種能夠精確模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)等葉輪機(jī)械壓氣機(jī)、渦輪葉片服役狀態(tài)的試驗(yàn)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：為解決上述問題，本發(fā)明發(fā)展了一種葉片結(jié)構(gòu)模擬件的試驗(yàn)方法，基于損傷部位形狀相同、應(yīng)力及應(yīng)力分布相同或近似的原則進(jìn)行葉片葉身模擬件的設(shè)計(jì)，可以有效反映葉片工作過程中危險(xiǎn)部位的應(yīng)力狀態(tài)。在模擬試驗(yàn)件上施加葉片危險(xiǎn)截面處載荷、溫度，進(jìn)行疲勞、蠕變以及交互作用壽命試驗(yàn)，可以精確確定葉片服役壽命和揭示其損傷失效機(jī)理。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種葉片結(jié)構(gòu)模擬件的試驗(yàn)方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：對(duì)葉片進(jìn)行流-熱-固耦合分析，獲取服役狀態(tài)下葉片的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)；

步驟二：確定葉片危險(xiǎn)部位：基于步驟一所獲得的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，參考發(fā)動(dòng)機(jī)使用中葉片裂紋部位及故障情況，確定葉片容易發(fā)生破壞的危險(xiǎn)部位；

步驟三：確定葉片模擬件，分為以下子步驟：

子步驟一：由上述步驟二中獲得的葉片危險(xiǎn)部位，以葉片危險(xiǎn)部位為基礎(chǔ),沿葉片展向分別向葉尖和葉根方向延伸，延伸的末端分別設(shè)為上截面a和下截面b，使上截面a和下截面b之間部分能夠包含葉片危險(xiǎn)部位，作為模擬件試驗(yàn)段；

子步驟二：分別以上截面a和下截面b為基準(zhǔn)，分別向葉尖和葉根方向擴(kuò)展至截面c、截面d，形成試驗(yàn)過渡段3、4；

子步驟三：在截面c、截面d上，沿葉片展向延伸形成平臺(tái)與夾持段，用于連接試驗(yàn)機(jī)；

子步驟四：在有限元計(jì)算軟件中施加載荷于模擬試驗(yàn)件夾持段上，對(duì)模擬試驗(yàn)件加持段進(jìn)行強(qiáng)度分析，通過調(diào)整截面c、d之間的偏移量和加載載荷大小，使模擬件試驗(yàn)段應(yīng)力和步驟二中力得到的葉片危險(xiǎn)部位應(yīng)力大小、分布一致或相似，危險(xiǎn)部位應(yīng)力集中處應(yīng)力差距在2％以內(nèi)；

步驟四：進(jìn)行模擬件試驗(yàn)件加工，開展模擬件服役環(huán)境下的壽命試驗(yàn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲得模擬件平均壽命以及壽命的置信區(qū)間；模擬件斷裂后，結(jié)合宏觀端口分析、微觀斷口分析，分析裂紋萌生部位、擴(kuò)展情況，確定斷裂模式；結(jié)合不同試驗(yàn)階段的微觀組織演化分析，揭示葉片的損傷失效機(jī)理。

發(fā)明效果

本發(fā)明的技術(shù)效果在于：以往常常通過材料級(jí)、缺口模擬件級(jí)以及整機(jī)掛片試驗(yàn)進(jìn)行壓氣機(jī)、渦輪葉片等壽命評(píng)估。材料級(jí)試驗(yàn)可以為葉片壽命的理論預(yù)測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，依據(jù)葉片危險(xiǎn)部位最大應(yīng)力、應(yīng)力集中系數(shù)設(shè)計(jì)的缺口模擬件雖然一定程度上反映了葉片多軸應(yīng)力狀態(tài)，但是與葉片真實(shí)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)差別較大，試驗(yàn)結(jié)果不能準(zhǔn)確反映葉片服役壽命；整機(jī)掛片試驗(yàn)基本反映了葉片的真實(shí)工作狀態(tài)，但是成本較高，并且整機(jī)試車時(shí)葉片一旦出現(xiàn)故障往往導(dǎo)致災(zāi)難性事故發(fā)生，不適合應(yīng)用于葉片的設(shè)計(jì)和壽命評(píng)估環(huán)節(jié)。本發(fā)明提出的葉片結(jié)構(gòu)模擬件試驗(yàn)方法，采用與葉片危險(xiǎn)部位相同的結(jié)構(gòu)、載荷、溫度，模擬件的應(yīng)力狀態(tài)、環(huán)境溫度與葉片服役狀態(tài)基本一致，以本專利提出的葉片結(jié)構(gòu)模擬件試驗(yàn)方法可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)葉片的工作壽命和揭示其損傷失效機(jī)理。

附圖說明

附圖標(biāo)記說明：

圖1為葉片結(jié)構(gòu)模擬件設(shè)計(jì)、試驗(yàn)流程；

圖2為一種渦輪葉片；

圖3為流-熱-固耦合分析得到的葉片應(yīng)力場(chǎng)；

圖4為根據(jù)葉片危險(xiǎn)部位設(shè)計(jì)的模擬件試驗(yàn)段、過渡段；

圖5為葉片結(jié)構(gòu)模擬件。

圖中：1.葉片危險(xiǎn)部位，2.試驗(yàn)段，3.上過渡段，4.下過渡段，5.上平臺(tái)，6.上加持段，7.下平臺(tái)，8.下加持段，a.危險(xiǎn)部位上截面，b.危險(xiǎn)部位下截面，c.過渡段上截面，d.過渡段下截面。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的技術(shù)方案包括以下步驟：

步驟1：分析葉片溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)：通過流-熱-固耦合分析，獲取服役狀態(tài)下葉片的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)；

步驟2：將步驟1數(shù)值計(jì)算結(jié)果和實(shí)際故障相結(jié)合確定葉片危險(xiǎn)部位：針對(duì)葉片服役工況，基于壽命預(yù)測(cè)模型進(jìn)行葉片的損傷失效分析，參考發(fā)動(dòng)機(jī)使用中葉片裂紋部位及故障情況，確定葉片容易發(fā)生破壞的危險(xiǎn)部位1；

步驟3：葉片模擬件設(shè)計(jì)：分別設(shè)計(jì)模擬件的試驗(yàn)段2、過渡段3、4和試驗(yàn)機(jī)連接的加持段5、6、7、8，保證考核部位的應(yīng)變、溫度條件和實(shí)際運(yùn)行條件下的相同或接近，危險(xiǎn)部位應(yīng)力集中處應(yīng)力差距在2％以內(nèi)；

步驟4：葉片模擬件試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)：利用多場(chǎng)耦合分析獲取服役工況下葉片危險(xiǎn)部位承受載荷，基于損傷等效的原則轉(zhuǎn)化為模擬件的試驗(yàn)載荷譜；通過多場(chǎng)耦合分析或?qū)嶋H測(cè)量，獲取葉片危險(xiǎn)部位環(huán)境溫度；

步驟5：進(jìn)行葉片模擬件試驗(yàn)：基于疲勞、蠕變等試驗(yàn)機(jī)，設(shè)計(jì)與葉片模擬件加持段相連接試驗(yàn)夾具，開展葉片模擬件壽命試驗(yàn)，實(shí)施監(jiān)測(cè)裂紋萌生、葉片伸長(zhǎng)等；

步驟6：確定葉片壽命和損傷失效機(jī)理：平均多次模擬件試驗(yàn)壽命，確定分散性系數(shù)，獲取置信區(qū)間內(nèi)的葉片試驗(yàn)壽命；開展模擬件斷口分析，分析微觀組織演化規(guī)律、斷裂模式、裂紋萌生和擴(kuò)展等，揭示葉片損傷失效機(jī)理。

進(jìn)一步地，一種葉片結(jié)構(gòu)模擬件的試驗(yàn)方法，通過相同或形狀相似的模擬件試驗(yàn)段設(shè)計(jì)，模擬葉片危險(xiǎn)部位的服役狀態(tài)。

進(jìn)一步地，葉片結(jié)構(gòu)模擬件設(shè)計(jì)包括如下分步驟：

步驟31：針對(duì)葉片流-熱-固耦合分析獲得的葉片危險(xiǎn)部位，以葉片危險(xiǎn)部位為基礎(chǔ),沿葉片展向分別向葉尖和葉根方向延伸得到危險(xiǎn)部位上截面a和下截面b，使上截面a和下截面b之間部分包含葉片危險(xiǎn)部位，作為模擬件試驗(yàn)段；

步驟32：為了設(shè)計(jì)之后的平臺(tái)和夾持段，分別以上截面a和下截面b為基準(zhǔn)，向上和向下擴(kuò)展至截面c、截面d，形成試驗(yàn)過渡段3、4；

步驟33：在截面c、截面d上設(shè)置平臺(tái)5、7，在平臺(tái)5、7上布置夾持段6、8，用于連接試驗(yàn)機(jī)；

步驟34：在葉片流-熱-固耦合分析基礎(chǔ)上，獲取葉片危險(xiǎn)部位1處的載荷大小和作用位置；將載荷施加于模擬試驗(yàn)件進(jìn)行強(qiáng)度分析，通過調(diào)整截面c、d使得模擬件試驗(yàn)段和葉片危險(xiǎn)部位應(yīng)力大小、分布一致或相似，危險(xiǎn)部位應(yīng)力集中處應(yīng)力差距在2％以內(nèi)；

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明了，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。需要說明的是，以下所描述的具體實(shí)施案例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本實(shí)施案例針對(duì)一種渦輪葉片進(jìn)行了葉身模擬件的設(shè)計(jì)，具體包括如下步驟：

步驟1：對(duì)于圖2所示渦輪葉片，在numeca中劃分流體網(wǎng)格，根據(jù)葉片工況選擇湍流模型、工質(zhì)、施加進(jìn)出口邊界條件，進(jìn)行渦輪葉片流場(chǎng)分析。在abaqus中劃分結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格，定義材料，施加載荷與邊界邊界條件，以渦輪葉片表面為氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)的耦合截面，將耦合截面上氣動(dòng)分析得到壓強(qiáng)與溫度數(shù)據(jù)插值傳遞給結(jié)構(gòu)分析模型，實(shí)現(xiàn)渦輪葉片的流-熱-固耦合分析，獲得葉片溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。圖2為流-熱-固耦合分析得到的葉片應(yīng)力場(chǎng)。

步驟2：應(yīng)力場(chǎng)中葉片葉身應(yīng)力最大位置在葉根前緣處，結(jié)合葉片實(shí)際工作中破壞部位多在葉片葉根處，確定葉片葉根位置為葉片危險(xiǎn)部位。由葉片危險(xiǎn)部位向上延伸2.16mm至危險(xiǎn)部位上截面a，向下延伸14.67mm至危險(xiǎn)部位下截面b。確定上截面a和下截面b之間部分作為模擬件試驗(yàn)段2。使用布爾運(yùn)算命令移除葉片模擬件試驗(yàn)段2外部分，該部分結(jié)構(gòu)不作為葉片模擬部位。

步驟3：使用三維建模軟件ug的拉出面命令將截面b沿截面法線方向向下拉伸3.2mm，生成模擬件過渡段4。在生成的新截面上創(chuàng)建基準(zhǔn)平面。確定模擬件試驗(yàn)段2重心，投影到該平面上。以投影點(diǎn)為中心創(chuàng)建50mm×50mm矩形草圖，沿法線方向拉伸12.5mm生成平臺(tái)7。在平臺(tái)7下表面處投影模擬件試驗(yàn)段2重心，并以該投影點(diǎn)為圓心，半徑為10mm創(chuàng)建圓形草圖，沿法線方向拉伸70mm，生成夾持段8。

步驟4：使用三維建模軟件ug投影曲線命令沿葉片尾緣棱線方向?qū)⒔孛鎍處葉片型線投影至截面c處。使用偏置曲線命令將投影后的葉片型線偏置0.8mm。利用截面a處葉片型線和偏置曲線，通過通過曲面組和縫合命令構(gòu)造實(shí)體，生成模擬件過渡段3。投影模擬件試驗(yàn)段2重心到截面c，以投影點(diǎn)為中心創(chuàng)建50mm×50mm矩形草圖，沿法線方向拉伸12.5mm生成平臺(tái)5。在平臺(tái)5上表面處投影模擬件試驗(yàn)段2重心，并以投影點(diǎn)為圓心，半徑為10mm創(chuàng)建圓形草圖，沿法線方向拉伸70mm，生成夾持段6。

步驟5：為避免葉片模擬件夾持段與平臺(tái)，平臺(tái)與過渡段過渡邊處產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中，在平臺(tái)7與夾持段8過渡邊，平臺(tái)5與夾持段6過渡邊處倒圓角，圓角半徑5mm；在平臺(tái)7與下過渡段4過渡邊處倒圓角，圓角半徑3.2mm；在平臺(tái)5與上過渡段3過渡邊處倒圓角，圓角半徑10mm。

步驟6：根據(jù)葉片流-熱-固耦合分析得到的葉片應(yīng)力場(chǎng)分布情況，在葉片危險(xiǎn)部位選取三個(gè)應(yīng)力集中點(diǎn)作為考察點(diǎn)。使用有限元分析軟件abaqus對(duì)模擬件進(jìn)行強(qiáng)度分析。調(diào)整強(qiáng)度分析時(shí)載荷大小以及截面c、d位置，使模擬件試驗(yàn)段2應(yīng)力場(chǎng)與流-熱-固耦合分析得到的葉片危險(xiǎn)部位應(yīng)力場(chǎng)基本一致或相似，考察點(diǎn)的mises應(yīng)力值差值百分比在2％以內(nèi)，葉根前緣處mises應(yīng)力值相同。

步驟7：設(shè)計(jì)和試驗(yàn)機(jī)相連接的夾具，基于試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行模擬件服役環(huán)境下的壽命試驗(yàn)；單個(gè)狀態(tài)下至少進(jìn)行7次試驗(yàn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲得模擬件平均壽命，以及壽命的置信區(qū)間；模擬件斷裂后，結(jié)合宏觀端口分析、微觀斷口分析，分析裂紋萌生部位、擴(kuò)展情況，確定斷裂模式；結(jié)合不同試驗(yàn)階段的微觀組織演化分析，揭示葉片的損傷失效機(jī)理。