[发明专利]单晶涡轮叶片上异型气膜孔的参数化建模及取向优化方法

说明书

本公开涉及涡轮叶片技术领域，尤其涉及一种单晶涡轮叶片上异型气膜孔的参数化建模及取向优化方法。该参数化建模方法包括：获取异型气膜孔的几何参数；根据几何参数建立异型气膜孔的标准三维模型。该参数化建模方法能够适用于建立任意形状的异型气膜孔，高效且具有通用性。

技术领域

本公开涉及涡轮叶片技术领域，尤其涉及一种基单晶涡轮叶片上异型气膜孔的参数化建模及取向优化方法。

背景技术

在航空工业中，单晶涡轮叶片的工作温度可达2000℃，因此对单晶涡轮叶片的耐高温性提出了严苛的要求。通常在单晶涡轮叶片的表面上设计具有一定排布规律的气膜孔，当该单晶涡轮叶片工作时，气膜孔可使单晶涡轮叶片的表面上形成一层冷却气膜，用于对单晶涡轮叶片进行降温。易于理解的是，气膜孔破坏了单晶涡轮叶片材料的整体性和一致性，而且密布排列的气膜孔也会导致单晶涡轮叶片发生应力集中和多孔干涉效应，进而使得气膜孔周围成为单晶涡轮叶片上失效的多发部位。在实际应用中，传统的圆形气膜孔已不能满足日益提高的设计需求，椭圆孔、梯形孔等异型气膜孔应运而生。所以，通常需要对异型气膜孔进行建模，并结合单晶涡轮叶片的合金材料的晶体取向对异型气膜孔的力学性能进行分析，以使该合金材料的功能发挥到极致。

现有技术中的建模方法只适用于特殊孔型的异型气膜孔，而不能适用于任意形状的异型气膜孔，局限性很大。另外，现有技术也缺乏对单晶涡轮叶片的合金材料的晶体取向的研究，使得单晶涡轮叶片的力学性能未能发挥到极致。

所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它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

本公开的目的在于提供一种单晶涡轮叶片上异型气膜孔的参数化建模及取向优化方法，该参数化建模方法适用于建立任意形状的异型气膜孔，高效且具有通用性，而该取向优化方法可以得到单晶涡轮叶片的最优晶体取向，进而使单晶涡轮叶片的力学性能最优。

为实现上述发明目的，本公开采用如下技术方案：

根据本公开的一个方面，提供一种单晶涡轮叶片上异型气膜孔的参数化建模及取向优化方法，包括：

获取所述异型气膜孔的几何参数；

根据所述几何参数建立所述异型气膜孔的标准三维模型。

根据本公开的另一个方面，提供一种取向优化方法，用于对单晶涡轮叶片的晶体取向进行优化，所述取向优化方法包括：

建立所述单晶涡轮叶片的初始三维模型；

建立异型气膜孔的标准三维模型，所述标准三维模型采用上述参数化建模方法建立而成；

基于所述初始三维模型、所述标准三维模型及所述异型气膜孔和所述单晶涡轮叶片的位置关系，建立具有所述异型气膜孔的单晶涡轮叶片的目标三维模型；

将所述目标三维模型导入有限元分析软件中，并对所述目标三维模型进行网格划分；

建立所述单晶涡轮叶片的晶体各向异性的本构模型；

以所述晶体取向的欧拉角为设计变量建立变量矩阵，并将所述变量矩阵导入所述本构模型；

将具有所述变量矩阵的本构模型导入所述有限元分析软件中，以生成所述目标三维模型的有限元模型；

定义所述有限元模型的边界条件；

基于所述边界条件进行计算，以获取所述异型气膜孔上最大分切应力的位置；

利用代理模型获取所述变量矩阵与所述最大分切应力之间的响应关系；

将所述变量矩阵带入所述响应关系并进行计算，以得到所述最大分切应力的最小值。