[发明专利]一种涡轮盘冷挤压强化孔结构的高低周复合疲劳试验件及设计方法

权利要求书

1.一种涡轮盘冷挤压强化孔结构的高低周复合疲劳试验件，其特征在于：所述试验件整体为一平板式试验件，按各部分功能划分为三段，中间部分是由带孔的等厚平板组成的试验件考核部位，两端则是各自由两对斜面组成的双楔形夹持端；

所述双楔形夹持端，由两对斜面组成，斜面与等厚平板表面的法向所成外角范围为大于90°且小于等于110°；

所述带孔的等厚平板中的孔为圆孔，直径范围为5-15mm，由实际结构和孔挤压工艺确定；平板的厚度范围为1.5-4mm；

所述试验件考核部位与双楔形夹持端的长度比例范围为1.5-2.5；孔边缘距侧边的距离应大于1.5倍孔半径。

2.一种涡轮盘冷挤压强化孔结构的高低周复合疲劳试验件设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)获取带孔结构涡轮盘的几何模型，并针对所关注的孔结构部位和涡轮盘缘复杂的榫槽结构进行几何模型的简化；

(2)获取步骤(1)所述带孔涡轮盘的工况条件以及工况条件下的材料性能参数；

(3)基于步骤(1)的几何模型和步骤(2)的材料性能参数，建立简化后的带孔涡轮盘有限元模型，首先进行涡轮盘孔结构冷挤压工艺过程的有限元模拟，获得冷挤压后孔结构残余应力沿孔深度和径向的分布数据，然后在考虑残余应力的情况下，进行涡轮盘孔结构有限元静力分析，获得涡轮盘孔结构在工作状态下危险点沿危险路径的等效应力分布数据；

(4)基于步骤(3)得到的孔结构残余应力沿孔深度和径向的分布数据和在工作状态下危险点沿危险路径的等效应力分布数据，以带孔的等厚平板为基本形状，设计涡轮盘孔结构试验件的考核部位，建立试验件的考核部位的有限元模型，首先进行冷挤压工艺有限元模拟，调整考核部位的厚度、宽度和长度，保证挤压后残余应力分布与步骤(3)中涡轮盘孔结构的残余应力分布一致，同时确定考核部位的最小宽度和最小长度，然后以沿试验件长度方向的单轴拉伸加载为基本载荷形式，在引入残余应力下进行有限元静力分析，再次调整试验件宽度，微调拉伸载荷大小，使试验件孔边应力在影响试验件寿命的临界距离内的等效应力分布与步骤(3)中所获得的沿危险路径的等效应力分布数据一致，由此确定试验件初步构型和拉伸载荷，实现试验件对真实涡轮盘孔结构低周载荷的模拟；

(5)在步骤(4)所确定的试验件初步构型和载荷的基础上，施加垂直于平板平面的高周激振力，计算孔边振动响应值，调整考核部位的长度、激振力的频率和大小，使得孔边最大振动应力值等于真实轮盘孔结构的最大振动应力值，试验件对真实涡轮盘孔结构高周载荷的模拟，同时保证上述低、高载荷均在高低周复合疲劳试验设备的工作范围内，否则，调整拉伸外载应力，重复步骤(4)，由此确定试验件考核部位的基本尺寸；

(6)在步骤(5)所确定的考核部位基础上，设计试验件的双楔形夹持端，调整楔形面角度、过渡圆弧大小和夹持端高度，以保证夹持端低应力水平以及过渡段低应力集中程度，最终得到涡轮盘冷挤压强化孔结构的高低周复合疲劳试验件。

3.根据权利要求2所述的一种涡轮盘冷挤压强化孔结构的高低周复合疲劳试验件设计方法，其特征在于：所述步骤(1)，进行几何模型的简化，简化方法为取整个涡轮盘的周期对称结构，且只保留孔结构附近以及旋转半径大于孔特征旋转半径处的结构，位于涡轮盘外缘复杂的榫槽结构，采用等质量块代替。

4.根据权利要求2所述的一种涡轮盘冷挤压强化孔结构的高低周复合疲劳试验件设计方法，其特征在于：所述步骤(2)，涡轮盘材料为镍基高温合金GH4169，材料性能参数为含有材料弹性和塑性变形阶段的全应力应变曲线以及线膨胀系数。

5.根据权利要求2所述的一种涡轮盘冷挤压强化孔结构的高低周复合疲劳试验件设计方法，其特征在于：所述步骤(3)，危险路径的选取为以涡轮盘孔结构危险点为起点，沿应力集中区域最长弦长方向，至少取5个数据点,记录各点的等效应力数值。

6.根据权利要求2所述的一种涡轮盘冷挤压强化孔结构的高低周复合疲劳试验件设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中，冷挤压工艺过程的有限元模拟为显示动力学分析，采用3种挤压过盈量0.1mm、0.15mm和0.2mm。