航空发动机转子的超转破裂试验的试验件构型方法技术

本发明专利技术提供了一种航空发动机转子的超转破裂试验的试验件构型方法，其包括以下步骤：S

Test piece configuration method for over rotation fracture test of aeroengine rotor

【技术实现步骤摘要】
航空发动机转子的超转破裂试验的试验件构型方法
本专利技术涉及航空发动机领域，特别涉及一种航空发动机转子的超转破裂试验的试验件构型方法。
技术介绍
航空发动机转子是民用航空发动机的主要承力部件之一，其长期工作在高温(最高可达650℃)、高转速(3000～17000r/min)等严苛工作条件下。对于航空发动机转子的设计，除了满足静强度、低周疲劳寿命、高周疲劳寿命等要求外，还要满足适航条款CCAR33.27超转要求，因为轮盘一旦破裂失效，其产生的高能碎块将会击穿机匣，有可能会击中发动机管路、油箱等，甚至是击中机舱，这些情况都将严重危及飞行安全。超转适航AC文件CFR33.27ACNo.33.27-1中要求：“必须通过分析或者试验的方法(1)确定转子的破裂转速；(2)确定每一发动机模块中承受最小破裂裕度的转子级；(3)并且预测关键转子位置处对应于转子速度的尺寸增长。超转条件和关键转子级确定后，必须通过超转试验进行符合性验证”。在超转试验之前，必须进行超转试验件设计。试验件设计是转子超转试验成败的关键。如果试验件构型设计不当，转子超转试验不能反映转子实际的超转性能，不仅不能达到验证设计的目的，甚至可能误导设计，增大轮盘超转破裂的风险。转子超转试验件的设计方法与轮盘的超转分析方法密切相关。关于转子的破裂转速预测方法，国内外有很多研究，如平均应力法，非线性有限元法。目前，国内外主要是基于线弹性分析的平均应力方法开展转子的破裂转速预测及试验件设计，即通过截面的平均应力，平均温度及材料修正系数来预测轮盘的破裂转速。然而，这种方法需要大量的试验建立大规模的数据库来确定材料修正系数，试验工作量极为庞大，时间、费用可想而知。而且平均应力方法是基于截面平均应力和温度进行破裂转速预测，无法预测轮盘破裂起始位置。因此，基于平均应力法的试验件设计，只能笼统的通过破裂转速评价试验件与部件方案的差异，无法准确的评估试验件设计的好坏及与部件方案的一致性。采用非线性有限元法进行轮盘的破裂转速预测研究很多，特别是极限应变法。采用这种方法进行试验件设计具有无可比拟的优势，但是仍然侧重于转子的破裂转速预测，未见该方法在试验件设计上的应用研究，如果在试验件设计上的应用，还缺乏相应的试验件构型设计原则。目前国内外主要是基于平均应力方法开展转子的试验件构型设计，并且缺乏相应的设计准则和依据，其存在以下几个主要问题：首先，平均应力法虽然简单，但并没有正确反映轮盘破裂的失效机理。由于商用发动机轮盘的常用材料通常并非理想塑性材料，随着转速的增加，转子局部区域出现塑性，进入塑性后应力会根据截面的形状进行重分布，即应力的分布规律与弹性状态有截然的不同。轮盘破裂发生时，并非整个截面发生破坏，而是从某个局部的点首先破坏。其次，平均应力法的准确性由材料修正系数的值决定，该值由分析预测的破裂转速与轮盘试验的实际破裂转速比较获得。确定该值的破裂试验要涵盖发动机不同种类的轮盘(如高、低压涡轮盘，压气机盘，风扇盘等)，不同类型的破裂(周向、径向)，不同的几何形状，不同的材料，不同的应力水平和温度条件的组合。建立这样一个系数的数据库，试验工作量极为庞大，时间、费用可想而知。如缺乏上述大规模的试验数据，则无法验证平均应力法。第三，平均应力方法按截面平均热应力考虑温度场对轮盘破裂转速的影响。因为整个截面上拉压热应力互相抵消，截面平均热应力通常非常微小，对轮盘破裂转速的影响也非常小。温度场对破裂转速的影响可能会被严重低估。而且，平均应力方法只考虑温度对材料极限强度σUTS的影响，但材料屈服强度σs的变化，也可能对轮盘破裂转速产生一定的影响。最后，平均应力方法是基于截面平均应力和温度进行破裂转速预测，无法预测轮盘破裂起始位置，因此采用平均应力法开展试验件设计，仅能考虑部件与试验件在破裂转速上的一致性。这样就导致部件与试验件构型可能破裂转速一致，但是破裂位置不一致，这与实际要求相差甚远。因此，针对目前基于平均应力法转子超转破裂转速的预测的局限性和目前转子超转破裂试验件的设计方法的缺乏，本领域技术人员致力于研究一种基于极限应变方法的超转破裂试验件设计，以期克服上述问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是为了克服现有技术中转子超转破裂试验费时费力，且无法准确评估试验件设计的好坏等缺陷，提供一种航空发动机转子的超转破裂试验的试验件构型方法。本专利技术是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种航空发动机转子的超转破裂试验的试验件构型方法，其特点在于，所述试验件构型方法包括以下步骤：S1、对航空发动机的转子组件进行超转分析；S2、确定所述转子组件中最小破裂裕度轮盘；S3、构建试验件构型的初步设计方案；S4、对所述试验件构型进行超转破裂分析；S5、判断所述试验件构型设计是否满足准则要求；S6、确定试验件构型；S7、完成试验件加工装配；S8、确定转子部件的破裂转速。根据本专利技术的一个实施例，所述步骤S1包括：建立转子的有限元模型，基于材料的真实应力-应变性能，采用大变形多步分析的方法进行求解；通过逐步提高转子的转速，分析不同转速下，转子应力、应变、变形分布的变化。根据本专利技术的一个实施例，所述步骤S2包括：根据转子部件的弹塑性应变分布，绘制各位置的应变-转速曲线。根据本专利技术的一个实施例，所述步骤S2中，最大等效应变发生位置的轮盘，即为最小破裂裕度的轮盘；最大等效应变的发生位置即为轮盘的破裂起始位置，且根据最大应变位置的应变-转速曲线，在应变达到材料的失效应变时的转速即为转子的破裂转速。根据本专利技术的一个实施例，所述步骤S3中试验件构型采用破裂裕度最小的轮盘为主要构件。根据本专利技术的一个实施例，所述步骤S4包括：建立所述试验件构型的有限元模型，基于材料的真实应力-应变性能，采用大变形多步分析的方法进行求解；通过逐步提高转子的转速，分析不同转速下，所述试验件构型的应力、应变、变形分布的变化。根据本专利技术的一个实施例，所述步骤S4中根据所述试验件构型的弹塑性应变分布，绘制各位置的应变-转速曲线，确定试验件方案的破裂转速，破裂起始位置，破裂起始位置的应变增长规律。根据本专利技术的一个实施例，所述步骤S5包括：根据转子部件及所述试验件构型的弹塑性分析结果，结合设计原则，评估所述试验件构型是否满足准则要求。根据本专利技术的一个实施例，所述步骤S6包括：综合考虑所述试验件构型设计原则的各个因素，选取满足设计原则要求的试验件构型，即为最终的试验件构型。根据本专利技术的一个实施例，所述步骤S8中所述试验件构型预测破裂转速与转子部件分析的破裂转速之比称为构型因子，按试验结果确定轮盘的破裂转速时须乘以构型因子。本专利技术的积极进步效果在于：本专利技术航空发动机转子的超转破裂试验的试验件构型方法具有如下诸多优势：一、其基于极限应变法，不包含任何系数和因子，试验验证简单、直接，可以节省大量的试验经费和时间。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种航空发动机转子的超转破裂试验的试验件构型方法，其特征在于，所述试验件构型方法包括以下步骤：/nS

【技术特征摘要】
1.一种航空发动机转子的超转破裂试验的试验件构型方法，其特征在于，所述试验件构型方法包括以下步骤：
S1、对航空发动机的转子组件进行超转分析；
S2、确定所述转子组件中最小破裂裕度轮盘；
S3、构建试验件构型的初步设计方案；
S4、对所述试验件构型进行超转破裂分析；
S5、判断所述试验件构型设计是否满足准则要求；
S6、确定试验件构型；
S7、完成试验件加工装配；
S8、确定转子部件的破裂转速。


2.如权利要求1所述的航空发动机转子的超转破裂试验的试验件构型方法，其特征在于，所述步骤S1包括：建立转子的有限元模型，基于材料的真实应力-应变性能，采用大变形多步分析的方法进行求解；
通过逐步提高转子的转速，分析不同转速下，转子应力、应变、变形分布的变化。


3.如权利要求1所述的航空发动机转子的超转破裂试验的试验件构型方法，其特征在于，所述步骤S2包括：根据转子部件的弹塑性应变分布，绘制各位置的应变-转速曲线。


4.如权利要求3所述的航空发动机转子的超转破裂试验的试验件构型方法，其特征在于，所述步骤S2中，最大等效应变发生位置的轮盘，即为最小破裂裕度的轮盘；最大等效应变的发生位置即为轮盘的破裂起始位置，且根据最大应变位置的应变-转速曲线，在应变达到材料的失效应变时的转速即为转子的破裂转速。


5.如权利要求1所述的航空发动机转子的超转破裂试验的试验件构型...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐晓东，陈国光，
申请(专利权)人：中国航发商用航空发动机有限责任公司，
类型：发明
国别省市：上海;31