[发明专利]一种适用于不同涂层厚度的硬涂层叶盘有限元建模方法

说明书

本发明提供一种适用于不同涂层厚度的硬涂层叶盘有限元建模方法，涉及硬涂层叶盘建模技术领域。该方法首先在有限元软件中划分整体叶盘单个扇区的有限元网格，并导出直角坐标系下有限元网格的节点坐标；然后基于三维六面体8节点层合非协调单元，求解单个扇区的刚度及质量矩阵；基于旋转周期算法组装整体叶盘的总体刚度矩阵及质量矩阵，并施加相应的边界约束条件；求解特征方程，获取振型向量和固有频率，求解受迫响应；在涂层阻尼减振设计中，改变涂层厚度时，重新获得相应的振动特性。本发明提供的适用于不同涂层厚度的硬涂层叶盘有限元建模方法，在涂层厚度改变时，无需重新生成网格，且适用于各类涂层。

技术领域

本发明涉及硬涂层叶盘建模技术领域，尤其涉及一种适用于不同涂层厚度的硬涂层叶盘有限元建模方法。

背景技术

整体叶盘是高性能涡轮机的重要工作部件，由于其具有结构简单、质量轻、可靠性高以及性能优越的特点，因而受到了越来越广泛地研究与应用。通常，整体叶盘工作在高温、高压、高腐蚀的环境下，同时又受到流体、机械、温度等多种宽频带载荷，极易产生较大的振动从而严重影响涡轮机的工作寿命。而硬涂层阻尼作为一种新型的减振技术，将其应用在整体叶盘上可以实现叶盘结构的振动控制。因而，研究硬涂层整体叶盘的动力学建模具有极其重要的工程意义。

目前，硬涂层整体叶盘的高保真模型多基于商用有限元软件获得。然而，在叶片的涂层阻尼设计中，必须改变涂层厚度以改善阻尼性能。在商业有限元软件中改变涂层厚度时，为获得新的刚度及质量矩阵，必须重新构造涂层叶盘的有限元网格。这对于硬涂层阻尼设计非常不方便。因此，仍需要研究适用于不同涂层厚度的整体叶盘建模方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种适用于不同涂层厚度的硬涂层叶盘有限元建模方法，实现对不同涂层厚度的硬涂层叶盘进行建模。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种适用于不同涂层厚度的硬涂层叶盘有限元建模方法，包括以下步骤：

步骤1：在有限元软件中划分叶片涂层厚度最大时整体叶盘单个扇区的有限元网格，并导出直角坐标系下有限元网格的节点坐标；

步骤2：基于三维六面体8节点层合非协调单元，通过设置该单元各层的厚度及材料参数求解叶盘单个扇区的刚度及质量矩阵，具体方法为：

所述三维六面体8节点层合非协调单元在现有三维六面体8节点非协调单元的基础上引入虚拟层及涂层材料层，以满足不同涂层厚度整体叶盘振动特性的分析需求；

对于n层三维六面体8节点层合非协调单元的分块静力平衡方程如下公式所示：

其中，δ^e和α分别为对应于主自由度和附加自由度的位移向量，F₁为力向量；K₁₁，K₁₂，K₂₁，K₂₂的具体表达式为：

其中，D_m为弹性矩阵，B为应变矩阵，为由于引入附加自由度而生成的增强应变矩阵，T表示矩阵的转置，n表示该单元在厚度方向上共有n层材料，z_m和z_m+1表示n层层合单元中第m层材料在厚度方向的坐标，S指的是表示直角坐标系的xoy面；弹性矩阵D_m和应变矩阵Ｂ与协调六面体单元中的弹性矩阵和应变矩阵相同；

采用静力凝聚消去附加自由度，从而获得三维8节点层合非协调单元的刚度矩阵，如下公式所示：