[发明专利]一种压气机盘螺栓孔模拟件设计方法

说明书

本发明涉及一种压气机盘螺栓孔模拟件设计方法，步骤为：(1)获取压气机盘的几何模型，测量螺栓孔的孔径、孔边倒角、厚度；(2)获取压气机盘的工况条件以及压气机盘工作时孔边的应力分布数据；(3)建立压气机盘有限元静力分析模型，计算获得压气机盘螺栓孔的应力最大点，获取该点的周向应力值、周向应力梯度；(4)以中心圆孔平板试样为基本形状，结合有限元线弹性分析结果，来确定中心圆孔平板试样的考核段宽度，以保证平板试样孔边的应力分布与压气机盘工作时螺栓孔孔边的应力分布一致。

技术领域

本发明是一种针对航空发动机压气机盘螺栓孔模拟件设计方法，它是一种能够考虑压气机盘应力集中、应力梯度的模拟件设计方法，属于航空航天发动机技术领域。

背景技术

航空发动机轮盘在实际工作过程中，在螺栓孔等局部位置存在明显的应力集中，直接针对最大点应力进行寿命评估往往会得到过于保守的寿命结果，不利于轮盘减重和满足性能指标。为了准确评估轮盘应力集中部位的疲劳寿命，有必要通过设计和开展结构模拟件疲劳试验，对轮盘应力集中部位的疲劳寿命进行评估。而由于工程中常会根据需求选用不同直径的螺栓孔，因此需要设计了不同孔径的结构模拟件，通过试验研究不同尺寸比例中心圆孔平板试样疲劳寿命的差异。

现有专利CN201710255317.3《一种叶片结构模拟件的试验方法》针对叶片结构设计了疲劳寿命模拟件，其模拟件的设计原则主要为多个危险点的等效应力与实际结构相近，而未考虑危险点相邻区域的应力分布等效，以及等效塑性应变等效。

现有文献“杨兴宇,董立伟,耿中行,等.某压气机轮盘榫槽低循环疲劳模拟件设计与试验[J].航空动力学报,2008,23(10):1829-1834”根据压气机盘榫槽结构设计的低循环疲劳寿命试验，保证了模拟件的最大拉力、应力梯度、应变梯度与实际结构较为一致，但未进行裂纹扩展相关特性的设计与评估，试验件可应用于低循环疲劳寿命试验，而不能进行疲劳裂纹扩展试验。

发明内容

本发明技术解决方案：克服现有技术的不足，提供一种压气机盘螺栓孔模拟件设计方法，能够充分地反映压气机盘螺栓孔的应力集中、应力梯度。

本发明技术解决方案：一种压气机盘螺栓孔模拟件设计方法，结合压气机盘静力分析结果，设计能够反映特征结构的模拟件，实现了在实验室条件下模拟真实结构的疲劳行为。本发明实现步骤如下：

第一步，获取压气机盘的几何模型，测量螺栓孔部位的孔径、孔边倒角、厚度；所述厚度指压气机盘螺栓孔的径向厚度。

第二步，获取压气机盘的工况条件以及压气机盘工作时螺栓孔孔边的应力分布数据以及工况条件下的材料性能参数；所述工况条件包括压气机盘的工作温度场，所述材料性能参数包括压气机盘材料的密度；在工作温度下的弹性模量、泊松比、塑性本构参数、膨胀系数；断裂韧度值；压气机盘的工作温度场通过传热分析或实际测量获取；压气机盘的典型工作转速通过外场发动机工作数据统计获取；材料性能参数通过材料性能试验或材料数据手册获取。对于随温度变化的材料性能参数，获取整百摄氏度下的相应参数值，如100℃、200℃、300℃下的相应参数值，所取温度范围需将压气机盘工作温度场中的最大值与最小值包含在内。

第三步，依据第一步的几何模型与第二步的工况条件以及工况条件下的材料性能参数，建立压气机盘螺栓孔有限元静力分析模型计算获得压气机盘螺栓孔在工作状态下的应力应变数据；所述应力应变数据包括压气机盘螺栓孔的周向应力最大点上的周向应力值即最大周向应力值，和以压气机盘螺栓孔的最大周向应力值点为起点，沿压气机盘的径向线指向盘缘方向的周向应力分布；所述周向应力分布通过测量径向线上若干点的周向应力值来获取。例如，距周向应力最大点5mm以内存在明显的周向应力变化，而在5mm之外周向应力基本稳定不变，则可在5mm的距离内每隔1mm测量周向应力值，得到周向应力分布。