[发明专利]一种离心叶轮凸台裂纹扩展特征模拟件设计方法

权利要求书

1.一种离心叶轮凸台裂纹扩展特征模拟件设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取离心叶轮的几何模型，测量离心叶轮凸台结构的过渡圆角半径、凸台向长度；

(2)获取离心叶轮的工况条件以及工况条件下的材料性能参数；所述工况条件包括离心叶轮的工作温度场、离心叶轮的工作转速；所述材料性能参数包括离心叶轮材料的密度；在工作温度下的弹性模量、泊松比、塑性本构参数和膨胀系数，断裂韧度值；

(3)依据步骤(1)的几何模型和步骤(2)的所述工况条件以及工况条件下的材料性能参数，建立离心叶轮有限元分析模型，计算获得离心叶轮凸台在工况条件下的的应力应变数据；所述应力应变数据包括离心叶轮凸台位置拉伸方向最大应力点即最大径向应力值，和以离心叶轮凸台位置拉伸方向最大应力点为起点，沿离心叶轮凸台半径增大方向的径向应力分布；

(4)基于步骤(3)分析得到的离心叶轮凸台工况条件下的的应力应变数据，以矩形平板试件为基本形状便于进行裂纹观测，以沿模拟件长度方向的单轴拉伸加载为载荷形式，设计离心叶轮凸台裂纹扩展特征模拟件，建立所述模拟件的有限元静力分析模型，使模拟件的离心叶轮凸台沿拉伸加载方向的应力值等于步骤(3)中获取的最大径向应力值；进一步的，使沿所述模拟件宽度的应力分布情况与步骤(3)中获得的径向应力分布保持一致；从而完成所述模拟件的尺寸参数及模拟件单轴拉伸的载荷大小的确定；

(5)确定所述模拟件的厚度，基于步骤(4)中确定的所述模拟件的尺寸以及单轴拉伸的载荷大小，通过应力强度因子公式，求得所述模拟件的应力强度因子达到断裂韧度值时对应的临界裂纹长度，以所述临界裂纹长度为依据确定模拟件的厚度，完成所述离心叶轮凸台裂纹扩展特征模拟件的设计工作；

所述步骤(4)中，建立所述模拟件的有限元静力分析模型为：基于所述模拟件受拉伸方向为长度方向，模拟件的离心叶轮凸台的径向为宽度方向，以模拟件的离心叶轮凸台的径向长度为初始径向长度，以实际结构的过渡圆角半径为初始圆角半径，至少以步骤(3)中获取的径向应力分布的距离的三倍作为模拟件初始宽度，以模拟件初始宽度的一半作为初始厚度，建立离心叶轮凸台裂纹扩展特征模拟件的有限元分析模型，通过调整模拟件的过渡圆角半径、宽度、凸台的径向长度、改变单轴拉伸载荷大小方法，反复对所述模拟件的有限元静力分析模型进行有限元静力分析，使所述模拟件凸台沿拉伸加载方向的最大应力值等于步骤(3)中获得的所述最大径向应力值。

2.根据权利要求1所述的一种离心叶轮凸台裂纹扩展特征模拟件设计方法，其特征在于：所述步骤(4)中，所述径向应力分布的误差范围为±5％以内。

3.根据权利要求1所述的一种离心叶轮凸台裂纹扩展特征模拟件设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述径向应力分布通过测量径向线上若干点的径向向应力值来获取。

4.根据权利要求1所述的一种离心叶轮凸台裂纹扩展特征模拟件设计方法，其特征在于：所述步骤(5)中，应力强度因子计算公式如下：

M＝{1.13-0.09(a/c)}+{-0.54+0.89·[0.2+(a/c)]^-1}(a/B)²+{0.5-[0.65+(a/c)]^-1+14(1-a/c)²⁴}(a/B)⁴

Φ²＝1+1.464(a/c)^1.65

其中a为裂纹深度，c为裂纹长度，B为试件厚度，σt为拉伸载荷，π为圆周率，K为应力强度因子，无量纲系数M的取值与计算点在裂纹前缘上的位置有关，通过查询应力强度因子手册图表确定。

5.根据权利要求1所述的一种离心叶轮凸台裂纹扩展特征模拟件设计方法，其特征在于：所述步骤(5)中，确定模拟件的厚度原则是：模拟件厚度需在临界裂纹长度的一半以上，以充分涵盖裂纹在模拟件厚度方向的稳定扩展过程。