[发明专利]一种基于分段权函数的涡轮盘裂纹扩展模拟方法

摘要

本发明涉及一种基于分段权函数的涡轮盘裂纹扩展模拟方法，步骤包括：(1)基于涡轮盘静强度分析，确定危险部位并得到相应的应力分布；(2)基于应力强度因子模拟结果，确定任意非线性(包括均布、一次和二次)应力分布权函数；(3)基于步骤(2)建立的权函数，开展涡轮盘裂纹扩展模拟，得到涡轮盘裂纹扩展规律。

主权项

1.一种基于分段权函数的涡轮盘裂纹扩展模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)基于涡轮盘静强度分析，确定涡轮盘危险部位；取涡轮盘一个扇区作为分析模型，施加周期对称边界条件；将涡轮盘切分为榫槽、偏心孔、盘心及盘身多个子模块，采用六面体单元划分网格；根据高温合金手册获得材料参数，所述材料参数包括弹性模量、泊松比和密度，覆盖涡轮盘全部服役温度；施加机械载荷和温度场，所述机械载荷包括转速和叶片离心力，所述温度场由涡轮盘典型位置拟合得到；进行静强度分析，确定涡轮盘危险部位；(2)基于裂纹扩展应力强度因子模拟结果，确定任意非线性应力分布权函数；根据权函数的定义，基于孔边椭圆角裂纹和穿透裂纹简化模型，分别选取沿简化模型x向呈均布、线性、二次分布的裂纹面正应力作为参考载荷状态，采用有限元奇异单元法通过参考载荷状态下的裂纹扩展应力强度因子确定权函数中的待定系数，最终获得孔边椭圆角裂纹和孔边穿透裂纹的权函数；(3)基于步骤(2)建立的权函数，开展涡轮盘裂纹扩展模拟；分析由步骤(1)确定的涡轮盘危险部位应力特点，确定涡轮盘裂纹扩展方向，绘制相应的裂纹扩展平面应力分布并拟合应力分布的表达式，由拟合参数结合步骤(2)建立的权函数计算裂纹扩展应力强度因子；初始1/4圆形角裂纹半径选定1～3mm，每次计算间隔给定裂纹扩展增量选定0.05～0.2mm，得到涡轮盘危险部位表面裂纹长度与内表面裂纹长度随循环数N的变化关系，从而模拟获得涡轮盘裂纹扩展规律。