一种基于分区的内含硬α夹杂周围残余应力计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于分区的内含硬α夹杂周围残余应力的计算方法，包括以下步骤：根据分区判据判断硬α夹杂在轮盘上的所属区域，建立轮盘的“内部区域”以及“近表面区域”的硬α夹杂周围的残余应力计算方法，针对所述轮盘不同位置计算轮盘“内部区域”和“近表面区域”硬α夹杂周围的残余应力，本发明专利技术的方法可以考虑硬α夹杂出现位置及夹杂大小的影响从而对残余应力进行更加准确的计算，同时适用于基体和夹杂的材料参数以及热处理冷却温度变化时的残余应力计算。

A method for calculating residual stresses around hard alpha inclusions based on zoning

【技术实现步骤摘要】
一种基于分区的内含硬α夹杂周围残余应力计算方法
本专利技术涉及航空发动机轮盘的寿命管理，尤其涉及一种对钛合金轮盘内部不同位置出现的硬α夹杂周围残余应力的计算方法。
技术介绍
概率失效风险评估方法在航空发动机轮盘的寿命管理中展示出很大的潜力，因而近些年来获得了广泛的应用。它可以处理载荷、工作环境和材料等参数的随机性对部件安全性的影响，适航规章中规定航空发动机在进行适航取证时需要使用此方法表明限制寿命件在寿命期内的失效概率小于设计目标风险(DTR)，发动机才能获得最终的型号合格证。应力分布是概率风险评估方法的重要输入参数，作为典型限制寿命件的轮盘受到的应力不仅包括离心应力、热应力等的工作应力还包括加工过程产生的轮盘内部的残余应力。钛合金轮盘类部件的制备过程会不可避免地在其内部产生硬α夹杂缺陷。与基体材料相比，它们具有特别高的强度和硬度，所以硬α夹杂区域极易在加工变形过程中被压裂，形成裂纹、空洞等缺陷，进而引起部件失效，严重威胁飞行安全。热处理过程后，由于硬α夹杂与基体热膨胀系数等热物理性质的差异，会在夹杂内部及周围产生残余应力。此残余应力会影响从硬α夹杂处产生裂纹的裂纹扩展速度，进而会对钛合金轮盘的失效风险产生影响。然而，硬α夹杂周围的残余应力会随着夹杂在轮盘上出现的位置及夹杂的尺寸等因素有所变化。而硬α夹杂一旦出现，则随机出现在轮盘内的任何位置，这就为计算硬α夹杂周围的残余应力提出了难题。因此，在将硬α夹杂形状简化为球形的基础上，提出一种分区域计算内含硬α夹杂周围残余应力的方法，可以准确地计算轮盘的不同位置和大小的硬α夹杂周围的残余应力，这为考虑此残余应力进行的失效风险评估方法提供了基础。
技术实现思路
为了解决上述已有技术存在的不足，本专利技术提出一种基于分区的计算内含硬α夹杂周围残余应力的方法，可以准确地计算轮盘的不同位置和大小的硬α夹杂周围的残余应力，具体技术方案如下：一种基于分区的内含硬α夹杂周围残余应力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：根据分区判据判断硬α夹杂在轮盘上的所属区域,所述轮盘上D/a0＞5的部分为“内部区域”，所述轮盘上D/a0＜5的部分为“近表面区域”，其中，D为所述轮盘表面与硬α夹杂中心的最短距离，a0为硬α夹杂半径；S2：建立所述轮盘的“内部区域”的硬α夹杂周围的残余应力计算方法，具体如下：(σc)2＝-0.5p(a0/r)3，其中，α1为硬α夹杂的热膨胀系数，α2为所述轮盘的基体材料的热膨胀系数，ΔT为热处理冷却过程的温度变化，E1为硬α夹杂的弹性模量，E2为所述轮盘的基体材料的弹性模量，v1为硬α夹杂的泊松比，v2为所述轮盘的基体材料的泊松比，a0为硬α夹杂半径，r为应力求解点至硬α夹杂中心的距离，(σc)1为硬α夹杂内部的周向残余应力分布，(σc)2为硬α夹杂周围所述轮盘的基体材料中的周向残余应力分布，p为硬α夹杂内部的周向应力值；S3：建立所述轮盘的“近表面区域”的硬α夹杂周围的残余应力计算方法如下：其中，(σc)1为硬α夹杂内部的周向残余应力分布，(σc)2为硬α夹杂周围所述轮盘的基体材料中的周向残余应力分布，t＝r/a0，r为应力求解点至硬α夹杂中心的距离，a0为硬α夹杂半径，A1＝20.65*ratio-2.974，B1＝-3.271*ratio-1.048，C1＝-250.4*ratio-0.006594，A2＝435.3*ratio-3+6.544*ratio+93.03，B2＝1440*ratio-6.079，C2＝-1440*ratio-5.253，ratio＝D/a0，D为所述轮盘表面与硬α夹杂中心的最短距离，E1为硬α夹杂的弹性模量，E2为所述轮盘的基体材料的弹性模量，v1为硬α夹杂的泊松比，v2为所述轮盘的基体材料的泊松比，α1为硬α夹杂的热膨胀系数，α2为所述轮盘的基体材料的热膨胀系数，ΔT为热处理冷却过程的温度变化；S4：针对所述轮盘上的硬α夹杂计算残余应力。本专利技术的有益效果在于：1.准确性：基于分区的内含硬α夹杂周围残余应力计算方法，可以考虑硬α夹杂出现位置及硬α夹杂大小的影响从而对残余应力进行更加准确的计算；2.通用性：不受制于材料参数的变化，适用于基体和硬α夹杂的材料参数以及热处理冷却温度变化时的残余应力计算；3.高效性：“近表面区域”硬α夹杂残余应力计算方法的应用可以避免重复的有限元仿真工作，从而使残余应力的计算更加高效。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本专利技术的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本专利技术进行任何限制，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，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：图1为本专利技术的流程图；图2钛合金轮盘模型图；图3轮盘区域划分示意图。附图标号说明：1-“内部区域”；2-“近表面区域”。具体实施方式为了能够更清楚地理解本专利技术的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术，但是，本专利技术还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本专利技术的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。如图1所示，一种基于分区的内含硬α夹杂周围残余应力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：根据分区判据判断硬α夹杂在轮盘上的所属区域，轮盘上D/a0＞5的部分为“内部区域”，轮盘上D/a0＜5的部分为“近表面区域”，其中，D为轮盘表面与硬α夹杂中心的最短距离，a0为硬α夹杂半径；当D/a0＜5时不可忽略轮盘表面对应力分布的影响，因此将轮盘表面D/a0＜5的“薄层”作为近表面区域；S2：建立轮盘的“内部区域”的硬α夹杂周围的残余应力计算方法，硬α夹杂出现在远离轮盘表面时，可忽略轮盘表面对应力分布的影响，使用理论公式进行残余应力计算，具体如下：(σc)2＝-0.5p(a0/r)3，其中，α1为硬α夹杂的热膨胀系数，α2为轮盘的基体材料的热膨胀系数，ΔT为热处理冷却过程的温度变化，E1为硬α夹杂的弹性模量，E2为轮盘的基体材料的弹性模量，v1为硬α夹杂的泊松比，v2为轮盘的基体材料的泊松比，a0为硬α夹杂半径，r为应力求解点至硬α夹杂中心的距离，(σc)1为硬α夹杂内部的周向残余应力分布，(σc)2为硬α夹杂周围轮盘的基体材料中的周向残余应力分布，p为硬α夹杂内部的周向应力值；S3：建立轮盘的“近表面区域”的硬α夹杂周围的残余应力计算方法，使用有限元仿真方法计算冷却过程后硬α夹杂出现不同位置时的残余应力分布，寻找残余应力与夹杂位置、尺寸之间的关系。对有限元求解的应力分布进行拟合，具体如下：其中，(σc)1为硬α夹杂内部的周向残余应力分布，(σc)2为硬α夹杂周围轮盘的基体材料中的周向残余应力分布，t＝r/a0，r为应力求解点至硬α夹杂中心的距离，a0为硬α夹杂半径，A1＝20.65*ratio-2.974，B1＝-3.271*ratio-1.048，C1＝-250.4*ratio-0.006594，A2＝435.3*ratio-3+6.544*rat本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于分区的内含硬α夹杂周围残余应力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：根据分区判据判断硬α夹杂在轮盘上的所属区域，所述轮盘上D/a0＞5的部分为“内部区域”，所述轮盘上D/a0＜5的部分为“近表面区域”，其中，D为所述轮盘表面与硬α夹杂中心的最短距离，a0为硬α夹杂半径；S2：建立所述轮盘的“内部区域”的硬α夹杂周围的残余应力计算方法，具体如下：

【技术特征摘要】
1.一种基于分区的内含硬α夹杂周围残余应力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：根据分区判据判断硬α夹杂在轮盘上的所属区域，所述轮盘上D/a0＞5的部分为“内部区域”，所述轮盘上D/a0＜5的部分为“近表面区域”，其中，D为所述轮盘表面与硬α夹杂中心的最短距离，a0为硬α夹杂半径；S2：建立所述轮盘的“内部区域”的硬α夹杂周围的残余应力计算方法，具体如下：其中，(σc)1为硬α夹杂内部的周向残余应力分布，(σc)2为硬α夹杂周围所述轮盘的基体材料中的周向残余应力分布，p为硬α夹杂内部的周向应力值，α1为硬α夹杂的热膨胀系数，α2为所述轮盘的基体材料的热膨胀系数，ΔT为热处理冷却过程的温度变化，E1为硬α夹杂的弹性模量，E2为所述轮盘的基体材料的弹性模量，v1为硬α夹杂的泊松比，v2为所述轮盘的基体材料的泊松比，a0为硬α夹杂半径，r为应力求解点至硬α夹杂中心的距离；S3：建立所述轮盘的“近表面区域”的硬α夹杂...

【专利技术属性】
技术研发人员：李果，武红艳，刘俊博，丁水汀，周煜，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11