[发明专利]一种基于分段权函数的涡轮盘裂纹扩展模拟方法

说明书

本发明涉及一种基于分段权函数的涡轮盘裂纹扩展模拟方法，步骤包括：(1)基于涡轮盘静强度分析，确定危险部位并得到相应的应力分布；(2)基于应力强度因子模拟结果，确定任意非线性(包括均布、一次和二次)应力分布权函数；(3)基于步骤(2)建立的权函数，开展涡轮盘裂纹扩展模拟，得到涡轮盘裂纹扩展规律。

技术领域

本发明是一种针对航空发动机涡轮盘的裂纹扩展模拟方法，它是一种考虑涡轮盘裂纹扩展平面应力分布情况基于分段权函数求解裂纹强度应力从而模拟涡轮盘裂纹扩展的方法，属于航空航天发动机技术领域。

背景技术

根据断裂力学可知，应力强度因子与结构形状、尺寸、载荷及裂纹长度密切相关，为保证裂纹扩展分析的计算效率，工程上通常采用简化模型代替实际结构，以远端均布应力代替实际载荷，从而建立应力强度因子的经验公式，如现有文献Newman J C,Raju IS.Stress intensity factor equations for cracks in three-dimensional finitebodies subjected to tension and bending loads[R].Hampton,Virginia,USA:NASALangley Research Center, 1984.针对三维矩形板裂纹模型，建立了多种类型裂纹在承受拉伸和弯曲载荷下的应力强度因子近似表达式。

对于复杂结构而言，简化模型端面应力往往呈现非均匀应力分布，导致经验公式中的均布载荷假设不成立，从而使裂纹扩展预测结果存在一定偏差。因此，如何在非均布应力场下准确求解应力强度因子，是决定裂纹扩展模拟精度、效率的关键一环。现有文献Bueckner H F.A novel principle for the computation of stress intensityfactors[J].Journal of Applied Mathematics and Mechanics,1970,50(10):529-546.提出权函数方法，用以计算复杂应力分布下的应力强度因子。现有文献Kiciak A,GlinkaG,Eman M,et al.Weight functions and stress intensity factors for cornerquarter-elliptical crack in finite thickness plate subjected to in-planeloading[J].Engineering Fracture Mechanics,1998,60(2):221-238. 建立了复杂非均匀应力分布下三维矩形板裂纹体的应力强度因子通用权函数计算方法。然而该方法只适用于应力沿板厚度方向分布的情况，而对于航空发动机涡轮盘等部位，其裂纹面应力分布主要是沿着径向分布的周向应力，而将此裂纹进行简化成三维矩形板裂纹时，裂纹面上应力分布则沿矩形板宽度方向分布，因此该方法不太适用。

发明内容

本发明技术解决方案：克服现有涡轮盘裂纹扩展模拟方法的不足，提供一种任意非线性应力分布裂纹应力强度因子的权函数表达式方法，能够充分考虑涡轮盘裂纹扩展平面应力分布情况采用分段权函数模拟涡轮盘偏心孔处裂纹扩展，提高涡轮盘裂纹扩展模拟预测精度。

本发明技术解决方案：一种基于分段权函数的涡轮盘裂纹扩展模拟方法，结合涡轮盘静强度分析结果，确定危险部位及相应的应力分布，根据应力强度因子模拟结果，确定任意非线性应力分布权函数，最后结合涡轮盘危险部位平面应力分布采用分段拟合权函数开展涡轮盘裂纹扩展模拟，实现步骤如下：

(1)基于涡轮盘静强度分析，确定危险部位。为提高有限元计算效率、减少计算量，取涡轮盘一个扇区区域作为分析模型，施加周期对称边界条件；为便于网格划分将涡轮盘切分为榫槽、偏心孔、盘心和盘身多个子模块，采用六面体单元划分网格，提高计算精度；查阅高温合金手册获得材料参数，包括弹性模量、泊松比和密度，覆盖涡轮盘全部服役温度；载荷为涡轮盘设计工作状态的转速和叶片离心力(转换为榫槽接触面拉应力)，温度场由涡轮盘典型位置温度通过拟合获得；位移边界条件为约束安装边的轴向和周向位移；进行静强度分析，确定涡轮盘危险部位。