[发明专利]一种镍基单晶涡轮叶片取向设计的方法

说明书

本发明涉及单晶涡轮叶片强度、寿命设计与优化领域，具体涉及一种镍基单晶涡轮叶片取向设计的方法，该方法主要包括以下步骤：进行数学描述，获得α、β、γ角度及范围；建立欧拉角与一次取向β、二次取向θ的关系式；开展三维空间角度下的静强度与振动模拟仿真；将仿真结果转换为取向β、θ对单晶性能的影响规律；根据多种规律耦合影响结果，确定取向β、θ最优设计范围。本发明综合考虑单晶涡轮叶片取向对振动、高周疲劳、静强度性能的影响，有利于减小晶体取向的不利因素，充分发挥单晶涡轮叶片的性能。

技术领域

本发明涉及单晶涡轮叶片强度、寿命设计与优化领域，具体涉及一种镍基单晶涡轮叶片取向设计的方法。

背景技术

镍基单晶合金具有优异的高温力学性能，被广泛应用于航空发动机涡轮叶片的制造。但单晶合金同时还具有明显的各向异性，在相同的应力水平或应变水平下，不同取向下材料的蠕变和疲劳寿命可能会相差几倍甚至几十倍。因此，最佳取向设计是提高航空发动机涡轮叶片强度和寿命的关键之一，在涡轮叶片的强度与长寿命设计中不可忽略。

目前工程领域中并没有明确的叶片取向的设计方案。美国国家航空航天局(NASA)规定[001]取向与叶型积叠线方向之间的夹角小于15°的叶片为合格产品，在此规定中给出了一次取向设计范围，但没有给出二次取向的设计范围。对于上述问题，工程上急需一种设计二次取向，并给出具体二次取向设计角度的方案，用于指导单晶涡轮叶片铸造时的取向设计。基于以上原因，本发明将对二次取向范围进行设计，并给出具体的设计方法及流程。

发明内容

针对背景技术中提出的问题，本发明提出一种镍基单晶涡轮叶片取向设计的方法，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提出一种镍基单晶涡轮叶片取向设计的方法，具体包括以下步骤：

S1：根据欧拉角对单晶叶片三维空间取向进行数学描述，获得反映材料三维空间取向的α、β、γ角度及范围；

S2：基于取向原始定义，建立欧拉角与一次取向α、二次取向θ的关系式；

S3：基于欧拉角范围开展三维空间角度下的静强度与振动模拟仿真计算；

S4：根据欧拉角与取向β、θ的关系式将仿真结果转换为取向β、θ对单晶涡轮叶片静强度、振动及共振点高周疲劳寿命储备的影响规律；

S5：根据多种规律耦合影响结果，确定取向β、θ最优设计范围。

进一步的，步骤S1中，α为第一次围绕Z轴旋转得到的角度，且α＜90°；β为第二次围绕Y′轴旋转得到的角度，且β＜15°；γ为第三次围绕Z″轴旋转得到的角度，且γ＜90°；这是因为本领域工程设计中规定[001]取向与叶型积叠线方向之间的夹角小于15°，即β角小于15°。而α、γ虽没有严格要求，但由欧拉角Z-Y-Z旋转矩阵可知，α、γ两个角度每旋转90°为一周期，故可确定其范围在90°以内。；所述欧拉角旋转包含了所有存在的三维空间取向。

进一步的，步骤S1中，进行数学描述的具体方法是：在笛卡尔坐标系下，关于Z轴与Y轴的基础旋转矩阵RZ,RY可以表示为：

按Z-Y-Z旋转的欧拉角对应的组合旋转矩阵RZYZ可以表示为：

其中l,m,n是不同坐标系坐标轴之间的方向夹角余弦，如此便实现了叶片取向问题的数学描述。

进一步的，步骤S2中，二次取向θ与α、γ满足如下关系：

公式的前一部分表示θ由α和γ的投影两部分组成，具体计算公式由后半部分表示。