一种考虑表面完整性状态的轮盘模拟件设计方法技术

本发明专利技术涉及一种考虑表面完整性状态的轮盘模拟件设计方法，包括：确定模拟件设计对象，开展真实轮盘结构典型特征部位表面完整性状态量化表征，确定真实轮盘结构最终表面处理工序；根据应力应变分布确定疲劳控制参量分布，进行敏感性分析确定影响考核部位危险点疲劳控制参量取值的关键尺寸；以临界距离内疲劳控制参量分布一致性为目标，优化模拟件的关键尺寸；开展真实轮盘结构最终表面处理工序数值模拟方法研究，在有限元软件中建立相关工艺数值模拟方法；以粗糙度与残余应力分布测量结果为目标，对模拟件进行最终表面处理工序有限元模拟，完成模拟件设计。本发明专利技术将真实结构表面完整性状态考虑到模拟件设计中，弥补了相关研究不足。不足。不足。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑表面完整性状态的轮盘模拟件设计方法


[0001]本专利技术属于航空航天发动机
，具体涉及一种考虑表面完整性状态的轮盘模拟件设计方法。

技术介绍

[0002]航空发动机中轮盘结构复杂，在服役载荷下往往会在局部区域造成应力集中，导致危险点附近应力呈非均匀分布。由于基于标准件的疲劳试验不能体现局部区域应力集中的影响，因此需要进一步开展模拟件设计，在实验室环境下研究应力集中对疲劳寿命的影响规律。试验结果表明裂纹往往是在试验件表面萌生，疲劳寿命和试验件的表面完整性状态密切相关，如果在模拟件设计时不考虑表面完整性状态，则难以准确量化结构件的疲劳寿命，无法达到结构件疲劳寿命评估的初衷。
[0003]现有文献“发动机构件低循环疲劳模拟试验件设计方法[J].赵福星,杨兴宇.燃气涡轮试验与研究,2003(02):50
‑
52.”提出的模拟件设计原则未考虑表面完整性状态的影响。
[0004]现有中国专利技术专利CN108563917B(一种涡轮盘榫槽裂纹扩展模拟件设计方法)[P].提出的模拟件设计原则同样未考虑表面完整性状态的影响。

技术实现思路

[0005]为克服现有技术的不足，本专利技术提供一种考虑表面完整性状态的轮盘模拟件设计方法，在充分反映真实轮盘部位的应力集中影响的情况下，进一步考虑真实轮盘部位表面完整性状态与模拟件等效，服务与支撑航空发动机轮盘模拟件设计。
[0006]本专利技术技术解决方案：一种考虑表面完整性状态的轮盘模拟件设计方法，在保证模拟件与真实轮盘疲劳控制参量分布一致的情况下，进一步考虑表面完整性状态的一致性，建立有效的模拟件设计方法，实现步骤如下：
[0007]步骤(1)：确定模拟件设计对象，开展真实轮盘结构典型特征部位表面完整性状态量化表征，量化表面粗糙度和残余应力结果；同时确定真实轮盘结构最终表面处理工序，所述处理工序包括机械加工工艺和表面强化处理工艺；
[0008]步骤(2)：开展真实轮盘结构应力应变分布有限元计算，根据应力应变分布确定疲劳控制参量分布；对轮盘考核部位尺寸进行敏感性分析，确定影响考核部位危险点疲劳控制参量取值的关键尺寸，在保留关键尺寸取值不变的基础上设计模拟件初步构型；
[0009]步骤(3)：根据考核部位的失效模式确定临界距离表达式，以临界距离内疲劳控制参量分布一致性为目标，优化模拟件的关键尺寸，确定模拟件的基本构型；
[0010]步骤(4)：开展真实轮盘结构最终表面处理工序数值模拟方法研究，在有限元软件中建立真实轮盘结构最终表面处理工序数值模拟方法，建立粗糙度与残余应力分布量化表征方法。
[0011]步骤(5)：对模拟件危险部位进行表面处理工序模拟，以粗糙度与残余应力分布为
目标，进行工艺参数优化，调整模拟件非关键尺寸，保证危险点表面粗糙度、残余应力与真实轮盘结构一致。
[0012]进一步地，所述第(2)步中关键尺寸的确定是通过对模拟件尺寸参数进行敏感性分析确定的。
[0013]进一步地，所述步骤(3)中所述关键尺寸的取值的方法是模拟件疲劳控制参量与真实结构疲劳控制参量分布在临界距离内的误差不大于10％。
[0014]进一步地，所述步骤(5)中所述非关键尺寸的取值和工艺参数取值的方法是危险点表面粗糙度误差不大于20％，残余应力误差不大于20％。
[0015]本专利技术与现有技术相比的优点在于：本专利技术是一种能够考虑机械加工、表面强化后轮盘结构表面完整性状态以及应力应变分布的模拟件设计方法，其在现有模拟件设计方法的基础上，将真实结构表面完整性状态考虑到模拟件设计中，目前相关技术未见报道，弥补了相关研究不足。
附图说明
[0016]图1为本专利技术的一种考虑表面完整性状态的轮盘模拟件设计方法实施流程图；
[0017]图2为本专利技术实施例的涡轮盘盘心模拟件初步构型示意图；
[0018]图3为本专利技术实施例的涡轮盘盘心模拟件疲劳控制参量分布示意图；
[0019]图4为本专利技术实施例的涡轮盘盘心模拟件基本构型示意图；
[0020]图5为本专利技术实施例的涡轮盘盘心模拟件疲劳控制参量分布与真实构件对比结果示意图；
[0021]图6为本专利技术实施例的涡轮盘盘心模拟件最终构型示意图。
具体实施方式
[0022]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0023]本专利技术的一种考虑表面完整性状态的轮盘模拟件设计方法，在保证模拟件与真实轮盘疲劳控制参量分布一致的情况下，进一步考虑表面完整性状态的一致性，建立有效的模拟件设计方法，实现步骤如下：
[0024]第一步，确定轮盘的考核部位，开展真实轮盘结构典型特征部位表面完整性状态量化表征，依据GB/T 1031
‑
2009《表面结构轮廓法表面粗糙度参数及其数值》测量表面粗糙度R
a
与R
z
取值，依据GB/T 7704
‑
2008《无损检测X射线应力测定方法》测量残余应力分布，获取表面粗糙度和残余应力结果；同时确定真实轮盘结构最终表面处理工序，包括机械加工工艺的车削、铣削、拉削等以及表面强化处理工艺的喷丸、孔挤压等。
[0025]第二步，在获取轮盘服役工况条件以及工况条件下的材料性能参数基础上，开展真实轮盘结构应力应变分布有限元计算，根据所述考核部位的载荷特征，确定其疲劳失效模型，根据所述疲劳失效模型确定该考核部位疲劳寿命的疲劳控制参量，根据应力应变分布确定疲劳控制参量分布，根据所述疲劳控制参量最大值的位置确定考核部位危险点位
置。初步设计模拟件构型，对模拟件尺寸进行敏感性分析，确定影响危险点疲劳控制参量取值的关键尺寸。
[0026]第三步，根据第二步有限元计算的结果，按照临界平面法确定过危险点的临界平面位置，按照最大梯度方向确定临界平面上的计算疲劳寿命的关键路径。根据考核部位的疲劳失效模型确定临界距离表达式，进而确定临界距离取值，以临界距离内疲劳控制参量分布一致性为目标，优化模拟件的关键尺寸，使得模拟件疲劳控制参量与真实结构的疲劳控制参量分布在临界距离内最大误差不大于10％，因此确定模拟件的基本构型。上述过程可在Isight优化软件中进行。
[0027]第四步：根据第一步确定的真实轮盘结构的最终表面处理工序，开展最终表面处理工序工艺过程的有限元数值模拟，在有限元软件中建立相关工艺数值模拟方法，获取表面处理工序之后的应力场、位移场。根据所述位移场结果，按照GB/T 1031
‑
2009《表面结构轮廓法表面粗糙度参数及其数值》建立粗糙度R
a
与R
z
的计算方法，可通过有限元Python二次开发进行。同时根据应力场分布提取临界距本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑表面完整性状态的轮盘模拟件设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)：确定真实轮盘考核部位，开展真实轮盘结构典型特征部位表面完整性状态量化表征，量化表面粗糙度和残余应力结果；同时确定真实轮盘结构最终表面处理工序，所述处理工序包括机械加工工艺和表面强化处理工艺；步骤(2)：开展真实轮盘结构应力应变分布有限元计算，根据应力应变分布确定疲劳控制参量分布；对考核部位尺寸进行敏感性分析，确定影响考核部位危险点疲劳控制参量取值的关键尺寸，在保留关键尺寸取值不变的基础上设计模拟件初步构型；步骤(3)：根据考核部位的疲劳失效模型确定临界距离表达式，以临界距离内疲劳控制参量分布一致性为目标，优化模拟件的关键尺寸，确定模拟件的基本构型；步骤(4)：开展真实轮盘结构最终表面处理工序数值模拟方法研究，在有限元软件中建立真实轮盘结构最终表面处理工序数值模拟方法，建立...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛建兴，田腾跃，胡殿印，王荣桥，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：