本發(fā)明涉及航空發(fā)動機渦輪葉片檢測校驗技術領域，特別地，涉及一種基于梁理論的渦輪葉片非線性蠕變分析方法。
背景技術：
渦輪葉片是發(fā)動機中工作環(huán)境最惡劣的零件，渦輪葉片蠕變變形及蠕變持久斷裂是渦輪葉片失效的重要模式，渦輪葉片蠕變分析是發(fā)動機設計及外場監(jiān)控的重要內容。蠕變是一種隨時間增長的非線性變形，葉片蠕變與工作溫度、應力水平及持續(xù)時間相關。
現(xiàn)有葉片蠕變分析一般采用通用的三維有限元方法，在本構方程中考慮蠕變，通過材料蠕變參數及離散化的結構剛度并施加相應的邊界條件來模擬結構的蠕變。三維有限元蠕變分析耗時長、效率低，難以適應多方案、多工況、長壽命葉片設計分析及葉片使用壽命監(jiān)控的需求。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供了一種基于梁理論的渦輪葉片非線性蠕變分析方法，以解決現(xiàn)有三維有限元蠕變分析耗時長、效率低，難以適應多方案、多工況、長壽命葉片設計分析及葉片壽命實時監(jiān)控的技術問題。
本發(fā)明提供一種基于梁理論的渦輪葉片非線性蠕變分析方法，包括以下步驟：a、確定渦輪葉片工作范圍內的多個溫度下的材料蠕變參數；b、將渦輪葉片的工作時間分成多個時間步；c、選取渦輪葉片的多個截面并劃分劃分網格；d、基于梁理論，獲取各個時間步葉片蠕變和蠕變松弛后的應力及持久損傷；e、獲取葉片蠕變伸長及蠕變持久損傷。
進一步地，步驟a的具體實施步驟為：確定葉片工作溫度范圍內至少三個溫度下的材料蠕變方程參數，特定溫度下的材料蠕變方程為
εc＝Aσmtp
其中，A為常數、m為應力指數、p為溫度指數，A、m、p由材料蠕變試驗曲線而定，εc為蠕變應變，σ為應力，t為時間；根據多個溫度下的蠕變試驗可以得到不同溫度下的蠕變方程；在材料蠕變試驗數據有限的情況下，根據離散的材料蠕變極限構造蠕變試驗曲線。
進一步地，步驟c的具體實施步驟為：沿渦輪葉片的葉身截取徑向截面，并沿葉身的軸向截取多個徑向截面；將每個徑向截面劃分成多個由三角形網格單元構成的截面網格；相鄰三角形網格單元交接之間形成節(jié)點。
進一步地，步驟d的具體實施步驟為：根據徑向截面平面假設，采用梁理論和數值方法獲取渦輪葉片初始時刻在徑向截面各節(jié)點位置的拉伸和彎曲應力；在假設平面上選取節(jié)點j點，初始時刻應力為σj(0)，在經過第1個時間段Δ1t后，假定在此時間段中j點均承受σj(0)應力的作用，根據材料的蠕變方程，獲取Δ1t時刻的蠕變應變增量根據徑向截面平面假設，考慮蠕變應變增量采取數值方法獲取j點總應變增量Δ1εj。
進一步地，j點Δ1t時刻的應力增量為：
其中，Ej為j點的彈性模量；
j點Δ1t時刻的應力為：
σj(1)＝σj(0)+Δ1σj。
進一步地，根據i-1時刻的應力σj(i-1)及材料的蠕變方程，獲取Δit時刻對應的j點的蠕變應變增量根據徑向截面平面假設，考慮蠕變應變增量采用數值方式獲取j點總應變增量Δiεj。
進一步地，Δit對應的j點應力增量為：
其中，Ej為j點的彈性模量；
i時刻j點的應力為：
σj(i)＝σj(i-1)+Δiσj。
進一步地，獲取外荷載作用時間內j點的等效應力；獲取外荷載作用時間內j點的蠕變持久強度儲備；獲取在多個工況共同作用下j點蠕變持久強度儲備。
進一步地，對于兩個相鄰徑向截面k截面和k+1截面對應的節(jié)點，蠕變伸長量為：
其中，εk+1為k+1截面對應點的蠕變量，εk為k截面對應點的蠕變量，hk+1為k+1截面對應點的葉高，hk為k截面對應點的葉高；得到整個葉高的蠕變伸長量為：
進一步地，步驟e的具體實施步驟為：重復步驟d，以獲取所有徑向截面的各個節(jié)點的應力、強度儲備及蠕變伸長量計算結果，根據累計損傷原理獲取工作時間內渦輪葉片各個節(jié)點的持久損傷。
本發(fā)明具有以下有益效果：
本發(fā)明基于梁理論的渦輪葉片非線性蠕變分析方法，考慮了渦輪葉片蠕變的主要因素，獲取便捷、精度可滿足工程實用要求，相較于現(xiàn)有的三維有限元方法，獲取效率提高數百倍，適用于多方案葉片對比分析、全壽命葉片蠕變分析及渦輪葉片在線壽命監(jiān)控，工程實用性更好。使用本方法對多型發(fā)動渦輪葉片蠕變伸長和持久壽命進行了分析校驗，發(fā)動機長試結果表明，獲取的數據精度可滿足工程實用要求，達到了預期效果。
除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點。下面將參照圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
附圖說明
構成本申請的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的不當限定。在附圖中：
圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施例的基于梁理論的渦輪葉片非線性蠕變分析方法的步驟流程圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明，但是本發(fā)明可以由下述所限定和覆蓋的多種不同方式實施。
圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施例的基于梁理論的渦輪葉片非線性蠕變分析方法的步驟流程圖。如圖1所示，本實施例的基于梁理論的渦輪葉片非線性蠕變分析方法，包括以下步驟：a、確定渦輪葉片工作范圍內的多個溫度下的材料蠕變參數；b、將渦輪葉片的工作時間分成多個時間步；c、選取渦輪葉片的多個截面并劃分劃分網格；d、基于梁理論，獲取各個時間步葉片蠕變和蠕變松弛后的應力及持久損傷；e、獲取葉片蠕變伸長及蠕變持久損傷?？蛇x地，步驟b與步驟c的實施順序可以調換。本發(fā)明基于梁理論的渦輪葉片非線性蠕變分析方法，考慮了渦輪葉片蠕變的主要因素，獲取便捷、精度可滿足工程實用要求，相較于現(xiàn)有的三維有限元方法，獲取效率提高數百倍，適用于多方案葉片對比分析、全壽命葉片蠕變分析及渦輪葉片在線壽命監(jiān)控，工程實用性更好。使用本方法對多型發(fā)動渦輪葉片蠕變伸長和持久壽命進行了分析校驗，發(fā)動機長試結果表明，獲取的數據精度可滿足工程實用要求，達到了預期效果。梁理論就是把彈性理論的三維問題簡化為一維問題。
本實施例中，步驟a的具體實施步驟為：確定葉片工作溫度范圍內至少三個溫度下的材料蠕變方程參數，特定溫度下的材料蠕變方程為
εc＝Aσmtp
其中，A為常數、m為應力指數、p為溫度指數，A、m、p由材料蠕變試驗曲線而定，εc為蠕變應變，σ為應力，t為時間；根據多個溫度下的蠕變試驗可以得到不同溫度下的蠕變方程；在材料蠕變試驗數據有限的情況下，根據離散的材料蠕變極限構造蠕變試驗曲線。
本實施例中，步驟c的具體實施步驟為：沿渦輪葉片的葉身截取徑向截面，并沿葉身的軸向截取多個徑向截面；將每個徑向截面劃分成多個由三角形網格單元構成的截面網格；相鄰三角形網格單元交接之間形成節(jié)點。
本實施例中，步驟d的具體實施步驟為：根據徑向截面平面假設，采用梁理論和數值方法獲取渦輪葉片初始時刻在徑向截面各節(jié)點位置的拉伸和彎曲應力；在假設平面上選取節(jié)點j點，初始時刻應力為σj(0)，在經過第1個時間段Δ1t后，假定在此時間段中j點均承受σj(0)應力的作用，根據材料的蠕變方程，獲取Δ1t時刻的蠕變應變增量根據徑向截面平面假設，考慮蠕變應變增量采取數值方法獲取j點總應變增量Δ1εj。
本實施例中，j點Δ1t時刻的應力增量為：
其中，Ej為j點的彈性模量；
j點Δ1t時刻的應力為：
σj(1)＝σj(0)+Δ1σj。
本實施例中，根據i-1時刻的應力σj(i-1)及材料的蠕變方程，獲取Δit時刻對應的j點的蠕變應變增量根據徑向截面平面假設，考慮蠕變應變增量采用數值方式獲取j點總應變增量Δiεj。
本實施例中，Δit對應的j點應力增量為：
其中，Ej為j點的彈性模量；
i時刻j點的應力為：
σj(i)＝σj(i-1)+Δiσj。
本實施例中，獲取外荷載作用時間內j點的等效應力；獲取外荷載作用時間內j點的蠕變持久強度儲備；獲取在多個工況共同作用下j點蠕變持久強度儲備。
本實施例中，對于兩個相鄰徑向截面k截面和k+1截面對應的節(jié)點，蠕變伸長量為：
其中，εk+1為k+1截面對應點的蠕變量，εk為k截面對應點的蠕變量，hk+1為k+1截面對應點的葉高，hk為k截面對應點的葉高；
得到整個葉高的蠕變伸長量為：
本實施例中，步驟e的具體實施步驟為：重復步驟d，以獲取所有徑向截面的各個節(jié)點的應力、強度儲備及蠕變伸長量計算結果，根據累計損傷原理獲取工作時間內渦輪葉片各個節(jié)點的持久損傷。
實施時，提供一種渦輪葉片蠕變獲取的便捷方法。主要思路為：將工作時間分成若干時間步；基于梁理論，獲取各時間步葉片蠕變、蠕變松弛后的應力及持久損傷；最終計算葉片蠕變伸長及蠕變持久損傷。具體步驟為：
(1)確定葉片工作溫度范圍內，至少3個溫度下的材料蠕變方程參數；
(2)將工作時間分成若干時間步；
(3)選取葉片若干截面并劃分網格；
(4)獲取截面各節(jié)點拉伸、彎曲應力；
(5)根據節(jié)點溫度和應力及時間步長，計算各節(jié)點蠕變應變；
(6)獲取蠕變松弛后節(jié)點應力，獲取一個時間步的蠕變持久損傷；
根據步驟(3)-(6)，計算工作時間內各時間步的蠕變、應力及持久損傷；
計算葉片蠕變伸長量，對于兩相鄰截面對應的節(jié)點，蠕變伸長量為
整個葉片的蠕變伸長量為
根據累積損傷原理，計算工作時間內葉片各節(jié)點持久損傷。
基于梁理論的渦輪葉片非線性蠕變分析方法，基于梁理論的葉片非線性蠕變獲取；非規(guī)則形狀截面應力數值獲??；考慮蠕變松弛的的葉片持久壽命獲?。换诮孛鎽兊娜~片蠕變伸長量獲??；前述計算流程。本方法考慮了葉片蠕變的主要因素，獲取便捷、精度可滿足工程實用要求，相較于現(xiàn)有的三維有限元方法，獲取效率提高數百倍，適用于多方案葉片對比分析、全壽命葉片蠕變分析及渦輪葉片在線壽命監(jiān)控，工程實用性更好。使用上述方法能夠獲取多型發(fā)動渦輪葉片蠕變伸長和持久壽命，發(fā)動機長試結果表明，獲取數據精度可滿足工程實用要求，達到了預期效果。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。