[发明专利]一种基于内聚力模型的轮盘破裂转速预测方法

说明书

本发明公开了一种基于内聚力模型的轮盘破裂转速预测方法，包含以下顺序的步骤：步骤一、建立旋转轮盘有限元模型并定义材料参数；步骤二、在最大应力位置沿径向布置内聚力单元；步骤三﹑基于ABAQUS‑UMAT用户自定义子程序来定义内聚力单元模型本构关系；步骤四﹑施加位移约束和转速载荷；步骤五﹑预测破裂转速。本发明利用有限元软件ABAQUS进行破裂转速计算，通过内聚力模型来提高预测结果的准确性。

技术领域

本发明属于材料试验方法技术领域，涉及一种基于内聚力模型的轮盘破裂转速预测方法。

背景技术

航空发动机是飞行器的动力装置，其工作状态是否良好直接影响到飞行器的可靠性与安全性。航空发动机由上万个零部件组成，任何零部件失效都会影响其性能和可靠性，甚至引发灾难性后果。因此，对航空发动机零部件进行失效研究，具有非常重要的工程意义及理论价值。目前国内外研究学者对轮盘破裂进行了大量的理论和试验研究，主要研究内容为预测轮盘破裂转速和研究轮盘破裂形式。轮盘破裂主要分为两种：一种为周向破裂，即沿着子午面破裂，轮盘沿径向平面破裂成两块或两块以上；另一种为径向破裂，即沿着圆柱面破裂，轮缘部分脱离轮毂，而轮毂依然保持完整。针对不同材料属性的轮盘，为准确预测其破裂转速及破裂形式，一般是通过分析轮盘内应力应变分布，再选择合适的破裂转速准则进行预测。将内聚力模型用于预测的破裂转速比未考虑裂纹的非线性有限元预测结果更为准确。

发明内容

本发明的目的在于，提升现有方法的预测效率降低预测误差，提供一种基于内聚力模型的轮盘破裂转速预测方法。

本发明具体采用如下技术方案：一种基于内聚力模型的轮盘破裂转速预测方法，其特征在于，包含以下顺序的步骤：

步骤一、建立旋转轮盘有限元模型并定义材料参数；

步骤二、在最大应力位置沿径向布置一层内聚力单元；

步骤三﹑基于ABAQUS-UMAT用户自定义子程序来定义内聚力单元模型本构关系；

步骤四﹑施加位移约束和转速载荷；

步骤五﹑对有限元模型进行计算，预测轮盘破裂转速。

优选的，所述步骤一，具体如下：

建立有限元模型：由于轮盘为等厚盘，建立轮盘的二维模型。

定义材料参数：旋转轮盘材料的具体材料参数如下：温度、断裂韧度、密度、弹性模量、泊松比、屈服极限、强度极限、J积分。根据轮盘材料参数，设置内聚力模型参数，包括内聚力刚度、内聚力强度，内聚能：内聚力刚度应大于材料弹性模量；内聚力强度取材料的屈服极限；内聚能等于J积分。

优选的，所述步骤二，具体如下：

步骤(1)：划分有限元网格：

旋转轮盘的单元类型为四节点平面应变减缩积分单元(CPE4R)，采用自由网格划分技术。此外，在最大应力位置沿径向布置一层二维四节点内聚力单元(COH2D4)。其中，最大应力位置的路径上采用四边形扫掠网格，指定扫掠方向沿内聚力单元厚度方向。由于最大应力位置将导致裂纹，因此，对裂纹尖端及裂纹扩展方向的网格进行局部加密，在裂纹扩展方向设置一层内聚力单元。首先确定裂纹扩展方向区域的网格尺寸，由于采用内聚力模型模拟裂纹扩展，因此，通过确定内聚力单元的尺寸以确定局部加密区域网格尺寸。

步骤(2)：为消除网格依赖性，确定合适的网格尺寸，检查J积分对网格尺寸的敏感性。当内聚力单元的网格尺寸大于0.02mm，随着内聚力单元的网格尺寸增加，J积分减小，此时J积分对内聚力单元的网格尺寸较为敏感；当内聚力单元的网格尺寸小于0.02mm时，J积分随内聚力单元的网格尺寸变化不发生变化，因此，为保证计算准确度的前提下提高计算效率，内聚力单元的网格尺寸选为0.02mm。