[发明专利]一种考虑变幅载荷作用的榫接多通道传力结构全寿命模拟方法

说明书

本发明提供一种考虑变幅载荷作用的榫接多通道传力结构全寿命模拟方法，包括榫接结构裂纹萌生寿命评估；考虑变幅载荷作用的单裂纹扩展分析；考虑变幅载荷作用的多裂纹扩展分析；考虑变幅载荷作用的榫接多通道传力结构全寿命评估。本发明对榫接结构进行了全寿命模拟，综合考虑了多通道传力特性，建立了一种考虑变幅载荷作用的榫接多通道传力结构全寿命模拟方法，能够综合考虑榫接结构失效过程中各齿载荷的动态变化对全寿命模拟预测的影响。

技术领域

本发明属于航空航天发动机技术领域，具体涉及一种考虑变幅载荷作用的榫接多通道传力结构全寿命模拟方法。

背景技术

航空发动机涡轮部件工作环境恶劣，长期在高温、高转速、高功率负荷的工况下工作。涡轮叶片榫头与叶盘榫槽的连接结构，即榫接部位，是航空发动机的设计和分析难点之一。据统计，涡轮叶片的疲劳破坏频次占发动机故障总数的三分之一，其中榫接部位失效频次占涡轮叶片故障总数的一半以上。榫接部位易出现应力集中，容易产生裂纹继而引发断裂等重大故障。因此建立方法进行航空发动机榫接结构的全寿命模拟预测十分关键。

由于榫接部位多通道传力的独特规律，各榫齿间的承载及损伤特性具有相关性，任何榫齿的损伤都会对其它榫齿的载荷承担造成影响。榫接多通道传力结构的失效是一个动态过程，实质上是各榫齿在变幅载荷作用下的失效过程，涉及变幅损伤累积和变幅裂纹扩展过程，如何合理模拟这一过程是完成榫接多通道传力结构全寿命模拟的关键。现有研究大多通过建立或修正损伤累积模型，进行裂纹萌生寿命预测，对于榫齿的裂纹扩展寿命预测相对较少，同时现有方法未考虑多通道传力特征所带来的变幅载荷作用的失效过程。因此建立一种考虑变幅载荷作用的榫接多通道传力结构全寿命模拟方法十分重要。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种考虑变幅载荷作用的榫接多通道传力结构全寿命模拟方法，能够综合考虑榫接多通道传力结构失效过程中的载荷变化造成的影响，实现考虑变幅载荷作用的榫接多通道传力结构全寿命模拟预测，能够服务与支撑航空发动机榫接多通道传力构件的全寿命分析。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种考虑变幅载荷作用的榫接多通道传力结构全寿命模拟方法，包括如下步骤：

(1)榫接结构裂纹萌生寿命评估：对航空发动机榫接多通道传力结构进行静强度分析，确定榫接结构的应力应变场。通过两对榫齿的榫接结构受旋转离心力，基于榫槽榫齿低周疲劳失效模式，由最大主应力及最大主应变主导，试验结果显示，裂纹以角裂纹形式萌生，因此以各齿中进气面与轴向面夹角处最大主应力值最大的点作为起裂点。选取SWT模型，求解得到各齿的裂纹萌生寿命，以各齿裂纹萌生寿命的最小值作为榫接结构裂纹萌生寿命。

(2)考虑变幅载荷作用的单裂纹扩展分析：当达到裂纹萌生循环数时，在起裂点插入初始圆形角裂纹，其半径一般取10倍晶粒尺寸值，裂纹面与起裂点最大主应力方向垂直，记裂纹沿进气面方向为A方向，沿轴向面方向为B方向，A、B方向上的裂纹尖端点分别为A、B点。记初始起裂榫齿为第一榫齿S₁，以载荷步将裂纹扩展过程离散化进行分析，其中每个载荷步中各齿载荷保持不变，不同载荷步下各齿载荷不同。令载荷步M＝0，求解有限元模型，获得载荷变化后的各齿应力应变场和裂尖应力强度因子。若应力强度因子达到断裂韧度K_IC则终止迭代；若应力强度因子小于断裂韧度，由裂纹尖端A、B点的应力强度因子，计算应力强度因子变程。由Paris公式计算裂纹在该载荷步下在A、B方向的扩展速率，给定扩展循环数ΔN，则可以得到裂纹在A、B方向的扩展长度，求解SWT模型得到其余各齿在载荷下的裂纹萌生循环数，将其和该载荷步经历的循环数代入损伤累积模型，求解其余各齿累积损伤，若均未达到临界损伤，则令载荷步M＝M+1，回到求解有限元模型步骤，继续迭代。