[发明专利]一种透平叶片材料的微细片状颗粒群冲蚀模型参数化建模方法

权利要求书

1.一种透平叶片材料的微细片状颗粒群冲蚀模型参数化建模方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)、获取透平机械流道的实际运行工况数据，并基于实际服役工况参数进行叶片材料加速冲蚀试验，建立透平叶片材料冲蚀率数据库和颗粒反弹数据库；

(2)、通过液压伺服试验机，获取透平叶片材料的应力应变数据；

(3)、通过超景深显微镜获取冲蚀物颗粒样品云母氧化铁的几何形貌和尺寸分布特征，包括：颗粒等效直径分布、投影面积分布、圆度分布和厚度分布；基于颗粒真实显微形貌及分布特征，获取N个颗粒中每个颗粒的位置坐标并导出为excel文件；

(4)、透平机械叶片材料冲蚀有限元模型建立基于ABAQUS6.14-2商业软件平台，在具体操作中，由于颗粒群位置坐标的excel文件的读取和存储函数模块不包含在Python标准模块中，通过安装第三方库，手动添加Xlrd及Xlwt模块即可实现对excel文件的读取和写入数据操作，同时，将叶片靶材设置为长、宽方向至少能覆盖所有颗粒冲击区域，且厚度不小于两个最大颗粒的外径之和的长方体Part，采用Python脚本语句快速建模和网格离散方法，最终建立透平机械叶片材料三维有限元冲蚀模型；

(5)、设置与实际运行工况一致的颗粒入射速度V₀和入射角度β₀，并通过后处理统计叶片靶材的失效单元数量及颗粒反弹速度V₂，进而计算得到叶片靶材的冲蚀率及颗粒速度恢复系数，与步骤(1)中的实测靶材冲蚀率、颗粒速度恢复系数进行比对，当两者存在差异时，则通过调整数值模拟前处理中叶片材料损伤模型及接触模型罚函数刚度，使两者相吻合，进而验证数值模型的正确性和有效性；修正后的有限元模型能够实现对颗粒圆度、颗粒初始姿态及颗粒尺寸分布对透平机械叶片材料冲蚀损伤规律及冲蚀机理的定量预测。

2.根据权利要求1所述的一种透平叶片材料的微细片状颗粒群冲蚀模型参数化建模方法，其特征在于：步骤(1)：所述透平机械流道实际运行工况数据包括流道进出口流量、压力及温度，叶片及冲蚀物颗粒的力学性能参数，以及叶片表面冲蚀分布及失重量。

3.根据权利要求2所述的一种透平叶片材料的微细片状颗粒群冲蚀模型参数化建模方法，其特征在于：试验过程中保证颗粒-靶材冲蚀试验系统中冲蚀速度、撞击角度及气流温度参数与实际透平服役环境下的参数一致；依次进行不同颗粒入射速度V₀、不同入射角度β₀下的加速冲蚀实验，记录材料稳态冲蚀率及颗粒速度恢复系数；

试验过程中，通过电子天平称量并记录试验靶材在冲蚀前后的质量，获得不同工况下材料的稳态冲蚀率；通过PIV对粒子撞击、反弹运动轨迹进行图像处理获得颗粒反弹数据，即颗粒速度恢复系数，分别为颗粒切向速度恢复系数e_T和法向速度恢复系数e_N，具体计算公式如下：

其中，V_0T和V_0N分别为颗粒入射速度V₀的切向和法向分量；V_2T和V_2N分别为颗粒反弹速度V₂的切向和法向分量；β₀和β₂分别为颗粒入射角度和反弹角度，分别对应颗粒入射、反弹方向与靶材表面的夹角。

4.根据权利要求1所述的一种透平叶片材料的微细片状颗粒群冲蚀模型参数化建模方法，其特征在于：步骤(3)中，具体包括以下步骤：

S1、基于所述颗粒分布特征，为N个颗粒的投影面积赋初值，其投影面积的选取应遵循颗粒投影面积分布，并在颗粒等效直径分布的范围内选取一随机值，该等效直径D_cir定义了给定粒子可以完全放入的最小圆，其计算公式如下：

其中S为颗粒的平面投影面积；

S2、使用四个点来定义颗粒投影面积的顶点；随机选取其中三个点的x、y坐标和第四个点的x坐标，使其位于S1所确定的边界内；计算出第四个顶点的y坐标，使得到的四边形面积在颗粒投影面积的分布范围内；所有四边形都是通过依次连接四个随机点来创建的，并确保用于创建投影平面的线之间没有交点；

S3、按公式(6)求解步骤S2中生成四边形的圆度值，将该圆度值在分布区间内的数量加1，如果所有区间都装满，即达到圆度值分布的要求，则对应生成的颗粒将被丢弃，所述圆度值R_c的表达式为：

其中，S和P_p为颗粒的平面投影面积和周长；

重复步骤S1～S3，直至生成的N个投影面积能同时满足颗粒直径、投影面积和圆度的分布要求；

S4、通过计算得到N个颗粒厚度的平均值，用作厚度值；

S5、在假设入射颗粒以随机方向冲击靶材表面的情况下，生成的每个三维颗粒顶点坐标在x、y和z轴上进行随机旋转，得到N个颗粒最终的位置坐标，导出为excel文件，用于构建颗粒群几何模型。