[发明专利]一种单晶涡轮叶片下缘板倒角部位低周疲劳模拟件设计方法

说明书

本发明涉及一种单晶涡轮叶片下缘板倒角部位低周疲劳模拟件设计方法，步骤为：(1)针对叶片下缘板倒角部位，提取形状、尺寸特征参数；(2)在保证危险部位几何相同的条件下，初步设计模拟件形状；(3)使得模拟件危险部位与真实叶片下缘板倒角部位典型位置沿危险路径方向的最大Schmid应力幅值大小在临界距离范围内保持一致；(4)基于有限元仿真确定模拟件考核段与夹持段的偏心距离；(5)模拟件加工工艺与真实涡轮叶片相同，其微观组织应与考核部位尽量保持一致，考虑到叶片第二晶向不确定性的影响，模拟件应涵盖至少6种不同第二晶向；(6)涡轮叶片外表面通常带有涂层，模拟件外表面需要采用相同工艺喷涂相同牌号涂层。

技术领域

本发明属于航空航天发动机技术领域，具体涉及一种单晶涡轮叶片下缘板倒角部位低周疲劳模拟件设计方法。

背景技术

涡轮转子叶片是航空发动机的重要零件，由于其工作在高温高压高转速的恶劣环境，叶片通常在倒角、槽等位置发生高应力断裂、疲劳、蠕变失效。该失效对发动机造成的危害很大。因此，叶片在工作过程中发生断裂、疲劳、蠕变等失效时，及时找出失效产生的根源非常有必要。对于低压涡轮转子叶片，由于温度较低，不需要在叶片表面布局气膜孔等冷却措施，温度分布比较均匀。叶片表面气动力载荷、离心力载荷是引起低压涡轮转子叶片叶根前缘应力集中的主要根源。航空发动机结构件造价较高，低循环疲劳试验费用昂贵，因此试验件数量很少，难以得到可靠性寿命。可采用多子样模拟试验件(简称模拟件)可靠性寿命试验，与少数结构件寿命试验验证相结合的办法，可解决这一问题。

叶片下缘板特征模拟件被用来进行疲劳试验，以模拟真实叶片下缘板倒角部位的破坏过程。叶片下缘板特征模拟件的设计过程中需要考虑的问题包括：(1)如何使叶片下缘板特征模拟件的考察位置的应力、应力梯度、应变梯度等参数与真实叶片下缘板的危险点保持一致；(2)如何保证叶片下缘板特征模拟件上破坏发生的位置即为考察点；(3)在保证前两条的前提下，如何使模拟件的结构简单，容易加工。目前关于叶片下缘板模拟试验件的设计非常稀缺。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种单晶涡轮叶片下缘板倒角部位低周疲劳模拟件设计方法，具体包括如下步骤：

步骤(1)：针对叶片下缘板倒角部位提取形状、尺寸特征参数，获取涡轮叶片下缘板倒角部位的几何模型；为研究叶片下缘板的不同倒角大小对涡轮叶片疲劳强度的影响，对四种不同半径的倒角进行研究，所述倒角的半径R分别选为1mm、2mm、3mm、4mm，所述倒角分别与叶身及榫头相切；

步骤(2)：根据需要研究的倒角大小，在保证考核部位与模拟件几何相同的情况，设计出初步的模拟件形状，获取涡轮叶片下缘板倒角部位的工况条件以及所述工况条件下的材料性能参数；所述工况条件包括涡轮叶片工作的温度、受到的离心载荷和气动载荷；所述材料性能参数包括涡轮叶片材料的密度、在工作温度下的弹性模量、泊松比、膨胀系数和疲劳本构参数；

步骤(3)：依据步骤(1)的所述几何模型和步骤(2)所述的工况条件以及材料性能参数，建立涡轮叶片倒角部位的有限元分析模型，通过调整、优化模拟件的部分尺寸参数，使得模拟件危险部位与真实叶片下缘板倒角部位典型位置沿危险路径方向的最大Schmid应力幅值大小在临界距离范围内保持一致；

步骤(4)：基于步骤(3)中确定的模拟件的几何结构和尺寸参数，考虑到下缘板截面存在非均匀应力场，需要提供附加弯矩，基于有限元分析确定模拟件考核段与夹持段的偏心距离，使得模拟件反映真实叶片下缘板倒角部位的非均匀应力场；

步骤(5)：在步骤(4)中确定模拟件的几何结构及夹持状态后，模拟件加工工艺与真实涡轮叶片保持相同，其微观组织与考核部位尽量保持一致，考虑到叶片第二晶向不确定性的影响，模拟件涵盖至少6种不同第二晶向；

步骤(6)：模拟件外表面采用与涡轮叶片相同的工艺喷涂相同牌号的涂层，尽量还原真实叶片下缘板倒角部位的情况。