[发明专利]镍基单晶涡轮叶片密排气膜孔的简化与等效方法

说明书

本发明提出一种镍基单晶涡轮冷却叶片密排气膜孔的简化与等效方法，属于结构可靠性分析与优化设计技术领域。该求解结构失效概率的方法根据叶片密排气膜孔的排布方式确定叶片平板模型，并将所述叶片平板模型简化为等效单孔模型；根据所述等效单孔模型的厚度差异将所述等效单孔模型分为平面应力状态区和广义平面应变状态区；根据所述叶片平板模型和所述等效单孔模型的应力应变关系，推导出所述等效单孔模型在平面应力状态下和广义平面应变状态下的等效弹性常数表达式。该简化与等效方法在有效降低计算量的同时能够准确计算出气膜冷却孔孔边的应力及应变场，从而确定涡轮叶片的寿命。

技术领域

本发明属于结构可靠性分析与优化设计技术领域，具体而言，涉及一种镍基单晶涡轮叶片密排气膜孔的简化与等效方法。

背景技术

目前世界范围内广泛使用镍基单晶高温合金作为涡轮叶片材料，该合金不仅具有优良的抗热腐蚀与抗氧化能力，还具有突出的高温蠕变、疲劳性能及组织稳定性，被广泛应用于制造航空、航天发动机的热端部件。为了适应越来越高的涡轮进气口温度，航空发动机涡轮叶片多采用叶身部位开有密排气膜冷却孔的结构。气膜冷却孔孔边的应力应变场极其复杂，而准确计算气膜冷却孔孔边的应力及应变场是确定涡轮叶片寿命的关键。在涡轮叶片的有限元模拟计算中，大量气膜孔的存在会导致计算量巨大。

目前针对叶片冷却气膜孔的等效主要使用于各向同性材料，比如带孔结构的材料属性等效问题，其简化及等效方法均是以各向同性材料为基础，以同静载荷下相同的变形量为等效判定标准，而作为目前国产航空发动机主要采用的镍基单晶合金是各向异性材料，其力学性能具有取向相关性及敏感性，现有的等效简化方法无法适用。且密排气膜孔排布方式不一，单一的简化模型无法满足所有情况。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种镍基单晶涡轮叶片密排气膜孔的简化与等效方法的方法，在有效降低计算量的同时能够准确计算出气膜冷却孔孔边的应力及应变场，从而确定涡轮叶片的寿命。

根据本发明的一个方面，提供一种镍基单晶涡轮叶片密排气膜孔的简化与等效方法，包括：

根据叶片密排气膜孔的排布方式确定叶片平板模型，并将所述叶片平板模型简化为等效单孔模型；

根据所述等效单孔模型的厚度差异将所述等效单孔模型分为平面应力状态区和广义平面应变状态区；

根据所述叶片平板模型和所述等效单孔模型的应力应变关系，推导出所述等效单孔模型在平面应力状态下和广义平面应变状态下的等效弹性常数表达式；

所述将所述叶片平板模型简化为等效单孔模型，包括：

从所述叶片平板模型中选取单胞模型，并将所述单胞模型等效为具有等效弹性常数的等效实体模型；

保留所述叶片平板模型的中间孔，其余孔用所述等效实体模型代替。

在本发明的一种示例性实施例中，所述叶片密排气膜孔的排布方式包括三角形排布方式和四边形排布方式。

在本发明的一种示例性实施例中，所述根据叶片密排气膜孔的排布方式确定叶片平板模型，包括：

根据所述叶片密排气膜孔的数量，确定所述叶片平板模型的孔数；

根据计算公式确定所述叶片平板模型的平板尺寸，所述计算公式为：

其中，l为所述叶片平板模型的长，b为所述叶片平板模型的宽，n为所述叶片平板模型中气膜孔的数量，a为气膜孔排布的列数，c为气膜孔排布的行数，d为孔径，h为两孔之间的最短距离，m、q为常数。