[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

说明书

本发明公开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，包括步骤：1、获取透平机械流道的实际运行工况数据，并基于该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特征和参数分布特征；4、根据颗粒显微形貌特征和叶片后加载特性曲线，基于ABAQUS商业软件平台，通过Python脚本及网格离散方法搭建微细片状颗粒群冲击透平机械叶片材料的三维有限元冲蚀模型。该方法可用于颗粒圆度、颗粒初始姿态及颗粒尺寸分布等因素对透平机械叶片材料冲蚀损伤分布及规律的定量预测。

技术领域

本发明涉及计算机辅助设计技术领域，具体为一种对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。

背景技术

微细固体颗粒冲击材料表面产生的冲蚀、磨损现象广泛存在于透平机械中的叶栅流道内，导致流道壁面粗糙、叶片型线改变，甚至威胁设备运行安全性和经济性，并且随着各种透平机械装备向大容量、高参数和高集成度方向的发展，其危害程度也将越来越高。因此，研究叶片材料冲蚀破坏机理非常重要。

显微观测发现，微细固体颗粒真实形貌均呈现不规则多角形，从颗粒尺度来讲，颗粒的形状、颗粒与表面之间的方位关系会导致完全不同的颗粒冲击行为(前旋、后旋等)，对叶片材料产生不同的冲蚀磨损作用，其机理非常复杂，一般的方法很难做到定量预测、用实验方法研究微细颗粒与高速气流的相互作用，对测试技术提出了很高的要求，现有高速摄影设备其时间和空间分辨率均难以满足，但又缺乏其它有效的测试手段。

随着计算机辅助技术的持续发展，通过有限元方法基于颗粒撞击靶材壁面过程中的非线性动力学特性从材料微观层面研究其冲蚀机理成为解决冲蚀破坏问题的主要思路。EiTobgy等不少学者通过统计粒子撞击靶材后的冲蚀率证实了建立多颗粒冲蚀模型以准确预测冲蚀行为的必要性，Wang YF、Takaffoli、Liu ZG等分别建立了球形颗粒群冲击Ti-6Al-4V合金、Cu合金等金属延性材料的三维冲蚀模型，指出了影响材料破坏的关键因素，为叶片材料的抗冲蚀优化指明了方向。总结文献发现，现有模型大都针对形状较为理想的冲蚀物颗粒，且尺寸较大；而实际的冲蚀过程中颗粒尺寸通常较小，且呈现不规则片状形貌；此外，颗粒一般被假定为具有相同的尺寸和形状，忽略了实际冲蚀过程中颗粒样本中的形状、尺寸的不一致性，而冲击靶材大多采用Ti-6Al-4V合金或Cu合金，对透平叶片材料的冲蚀特性鲜有涉及，无法有效揭示透平机械叶片材料的冲蚀破坏机理。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种透平机械叶片材料抗微细片状颗粒群冲蚀模型的参数化建模方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

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，包括如下步骤：

(1)、获取透平机械流道的实际运行工况数据，并基于该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。