[发明专利]基于梁理论的涡轮叶片非线性蠕变分析方法

说明书

本发明公开了一种基于梁理论的涡轮叶片非线性蠕变分析方法，包括以下步骤：a、确定涡轮叶片工作范围内的多个温度下的材料蠕变参数；b、将涡轮叶片的工作时间分成多个时间步；c、选取涡轮叶片的多个截面并划分网格；d、基于梁理论，获取各个时间步叶片蠕变和蠕变松弛后的应力及持久损伤；e、获取叶片蠕变伸长及蠕变持久损伤。考虑了涡轮叶片蠕变的主要因素，获取便捷、精度可满足工程实用要求，获取效率提高数百倍，适用于多方案叶片对比分析、全寿命叶片蠕变分析及涡轮叶片在线寿命监控，工程实用性更好。对多型发动涡轮叶片蠕变伸长和持久寿命进行了分析校验，发动机长试结果表明，获取的数据精度可满足工程实用要求。

技术领域

本发明涉及航空发动机涡轮叶片检测校验技术领域，特别地，涉及一种基于梁理论的涡轮叶片非线性蠕变分析方法。

背景技术

涡轮叶片是发动机中工作环境最恶劣的零件，涡轮叶片蠕变变形及蠕变持久断裂是涡轮叶片失效的重要模式，涡轮叶片蠕变分析是发动机设计及外场监控的重要内容。蠕变是一种随时间增长的非线性变形，叶片蠕变与工作温度、应力水平及持续时间相关。

现有叶片蠕变分析一般采用通用的三维有限元方法，在本构方程中考虑蠕变，通过材料蠕变参数及离散化的结构刚度并施加相应的边界条件来模拟结构的蠕变。三维有限元蠕变分析耗时长、效率低，难以适应多方案、多工况、长寿命叶片设计分析及叶片使用寿命监控的需求。

发明内容

本发明提供了一种基于梁理论的涡轮叶片非线性蠕变分析方法，以解决现有三维有限元蠕变分析耗时长、效率低，难以适应多方案、多工况、长寿命叶片设计分析及叶片寿命实时监控的技术问题。

本发明提供一种基于梁理论的涡轮叶片非线性蠕变分析方法，包括以下步骤：a、确定涡轮叶片工作范围内的多个温度下的材料蠕变参数；b、将涡轮叶片的工作时间分成多个时间步；c、选取涡轮叶片的多个截面并划分网格；d、基于梁理论，获取各个时间步叶片蠕变和蠕变松弛后的应力及持久损伤；e、获取叶片蠕变伸长及蠕变持久损伤。

进一步地，步骤a的具体实施步骤为：确定叶片工作温度范围内至少三个温度下的材料蠕变方程参数，特定温度下的材料蠕变方程为

ε^c＝Aσ^mt^p

其中，A为常数、m为应力指数、p为温度指数，A、m、p由材料蠕变试验曲线而定，ε^c为蠕变应变，σ为应力，t为时间；根据多个温度下的蠕变试验可以得到不同温度下的蠕变方程；在材料蠕变试验数据有限的情况下，根据离散的材料蠕变极限构造蠕变试验曲线。

进一步地，步骤c的具体实施步骤为：沿涡轮叶片的叶身截取径向截面，并沿叶身的轴向截取多个径向截面；将每个径向截面划分成多个由三角形网格单元构成的截面网格；相邻三角形网格单元交接之间形成节点。

进一步地，步骤d的具体实施步骤为：根据径向截面平面假设，采用梁理论和数值方法获取涡轮叶片初始时刻在径向截面各节点位置的拉伸和弯曲应力；在假设平面上选取节点j点，初始时刻应力为σ_j(0)，在经过第1个时间段Δ₁t后，假定在此时间段中j点均承受σ_j(0)应力的作用，根据材料的蠕变方程，获取Δ₁t时刻的蠕变应变增量根据径向截面平面假设，考虑蠕变应变增量采取数值方法获取j点总应变增量Δ₁ε_j。

进一步地，j点Δ₁t时刻的应力增量为：

其中，E_j为j点的弹性模量；

j点Δ₁t时刻的应力为：