圆弧端齿结构转子破裂转速评估方法与流程

1.本说明书涉及航空发动机技术领域，具体涉及一种圆弧端齿结构转子破裂转速评估方法。

背景技术：

2.先进航空发动机高压转子连接广泛采用圆弧端齿结构，通过圆弧端齿传扭、定心，通过短螺栓连接传递轴向力，而涡轮转子作为典型的关键件，一旦发生破裂通常会造成灾难性后果，为保证发动机的安全性和可靠性，国、内外相关标准均对提出了严格的破裂转速设计要求，且须通过试验验证其结构完整性。目前，涡轮转子破裂设计要求主要集中于盘体、鼓筒、轮缘凸块及挡板，其破裂转速设计方法经大量的试验结果验证已相对成熟，而对于圆弧端齿结构，存在的主要问题为：（1）目前，对于航空发动机圆弧端齿结构，通常基于常规分析方法评估其强度储备，储备系数一般来源于国外相关标准，而圆弧端齿连接部位结构及载荷较复杂，常规方法有效性还有待进一步验证；（2）圆弧端齿根部及螺栓孔通常具有显著的应力集中现象，与现有破裂设计广泛应用的平均应力法中应力均匀性的假设不太相符，导致按平均应力法确定的圆弧端齿结构破裂转速误差较大且偏危险，给使用带来风险；（3）现有破裂设计方法中局部应力法和局部应变法能较好的表征圆弧端齿失效模式，但局部应力法和局部应变法中材料本构模型是否恰当对其预测精度起关键作用，由于通常缺少的实际本构模型，因此，限制了该方法的应用。

技术实现要素：

3.有鉴于此，本说明书实施例提供一种圆弧端齿结构转子破裂转速评估方法，以解决现有技术中圆弧端齿结构破裂转速评估方法误差较大且偏危险的问题。
4.本发明的技术方案是：一种圆弧端齿结构转子破裂转速评估方法，包括以下步骤：步骤一、在基准转速下采用三维模型进行线弹性有限元分析，得到有限元结果；步骤二、根据步骤一的结果，在应力集中部位沿主应力梯度最大方向提取应力集中部位各节点第一主应力、温度及节点坐标；步骤三、根据同批次解剖件不同温度下的取样测试数据得到圆弧端齿工作温度下实测拉伸性能和实测材料断裂韧性，并确定特征长度l；步骤四、根据步骤三中确定的特征长度l以及步骤二中的结果，计算特征长度l内的有效应力；步骤五、根据实测拉伸性能数据与有效应力结果进行比较，确定破裂转速。
5.进一步地，步骤二具体为：分别在圆弧端齿齿根及螺栓孔第一主应力最大位置提取节点第一主应力、温度及节点坐标。
6.进一步地，步骤三具体为：根据公式确定特征长度l。
7.进一步地，步骤四包括：对比应力集中部位局部点应力与实测拉伸性能大小，当时，由公式计算特征长度l内的有效应力。
8.进一步地，步骤四还包括：对比应力集中部位局部点应力与实测拉伸性能大小，当时，提高转速并重复执行步骤一至步骤四。
9.进一步地，步骤五包括：由实测拉伸性能数据与有效应力结果进行比较，当时，确定此时的转速为应力集中部位的破裂转速。
10.进一步地，步骤五还包括：当时，继续提高转速并重复执行步骤一至步骤四。
11.进一步地，圆弧端齿结构转子破裂转速评估方法还包括步骤六，步骤六具体为：重复执行步骤一至步骤五，分别获得圆弧端齿齿根破裂转速及螺栓孔部位的破裂转速，圆弧端齿结构破裂转速为圆弧端齿齿根破裂转速和螺栓孔部位的破裂转速中的较小值。
12.与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：圆弧端齿结构危险部位应力集中显著，应力梯度较大，且发动机中转子一般为韧性材料，因此，采用线弹性得到的局部点应力超过拉伸强度不会立即导致圆弧端齿结构破坏，但会引起微裂纹产生，随着应力超过拉伸强度的体积范围增大，裂纹将快速扩展导致圆弧端齿结构破坏，即本发明提出的转子破裂条件为：在线弹性条件下，当危险部位在一定尺寸范围内的有效应力达到拉伸强度时，发生破裂；本发明实施例的方法预测精度较高且结果偏安全，能够满足工程应用。
附图说明
13.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
14.图1是本发明实施例的方法流程示意图；图2是本发明实施例的原理示意图。
具体实施方式
15.下面结合附图对本技术实施例进行详细描述。
16.以下通过特定的具体实例说明本技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本技术的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。本技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
17.如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种圆弧端齿结构转子破裂转速评估方
法，包括以下步骤：步骤一、在基准转速下采用三维模型进行线弹性有限元分析，得到有限元结果；步骤二、根据有限元结果的结果，在应力集中部位沿主应力梯度最大方向提取应力集中部位各节点第一主应力、温度及节点坐标；步骤三、根据同批次解剖件不同温度下的取样测试数据得到圆弧端齿工作温度下实测拉伸性能和实测材料断裂韧性，并确定特征长度l；步骤四、根据步骤三中确定的特征长度l以及步骤二中的结果，计算特征长度l内的有效应力；步骤五、根据实测拉伸性能数据与有效应力结果进行比较，确定破裂转速。
18.圆弧端齿结构危险部位应力集中显著，应力梯度较大，且发动机中转子一般为韧性材料，因此，采用线弹性得到的局部点应力超过拉伸强度不会立即导致圆弧端齿结构破坏，但会引起微裂纹产生，随着应力超过拉伸强度的体积范围增大，裂纹将快速扩展导致圆弧端齿结构破坏，即本发明提出的转子破裂条件为：在线弹性条件下，当危险部位在一定尺寸范围内的有效应力达到拉伸强度时，发生破裂；本发明实施例的方法预测精度较高且结果偏安全，能够满足工程应用。
19.步骤二具体为：分别在圆弧端齿齿根及螺栓孔第一主应力最大位置提取节点第一主应力、温度及节点坐标。
20.步骤三具体为：根据公式确定特征长度l。
21.步骤四包括：步骤4.1、对比应力集中部位局部点应力与实测拉伸性能大小，当时，由公式计算特征长度l内的有效应力。
22.步骤四还包括：步骤4.2、对比应力集中部位局部点应力与实测拉伸性能大小，当时，提高转速并重复执行步骤一至步骤三。
23.步骤五包括：步骤5.1、由实测拉伸性能数据与有效应力结果进行比较，当时，确定此时的转速为应力集中部位的破裂转速。
24.步骤五还包括：步骤5.2、当时，继续提高转速并重复执行步骤一至步骤四。
25.进一步地，圆弧端齿结构转子破裂转速评估方法还包括步骤六，步骤六具体为：重复执行步骤一至步骤五，分别获得圆弧端齿齿根破裂转速及螺栓孔部位的破裂转速，将圆弧端齿齿根破裂转速及螺栓孔部位的破裂转速中二者数值较低的转速作为圆弧端齿结构破裂转速。
26.本发明实施例的具体实例如下：s1、建立圆弧端齿结构转子三维有限元模型，在基准转速下进行线弹性有限元分析，得到有限元结果。根据圆弧端齿结构具有循环对称的特点，三维计算时采用扇块模型，为便于提取节点应力梯度，螺栓孔及圆弧端齿齿根局部单元应加密，保证螺栓孔及圆弧端
齿齿根处1mm尺寸范围内至少包含6个节点，螺栓孔周向应满足每9
°
不少于1层单元，圆弧端齿齿根应至少保证3层单元，单元雅克比应不低于0.7。
27.s2、由于圆弧端齿结构危险部位主要为齿根及螺栓孔处，且圆弧端齿齿根应力集中程度一般大于螺栓孔，局部点应力可能高于螺栓孔，但应力下降幅度大，即应力梯度大于螺栓孔处，因此，在有限元结果中分别在圆弧端齿齿根及螺栓孔第1主应力最大位置提取节点应力、温度及坐标。应注意沿主应力最大梯度路径提取各节点的温度、应力及坐标。
28.s3、根据同批次解剖件不同温度下的取样测试数据，通过线性插值得到圆弧端齿工作温度下实测拉伸性能。根据实测材料断裂韧性及实测拉伸性能，由公式分别确定圆弧端齿齿根及螺栓孔部位的特征长度l。
29.s4、由实测拉伸性能数据与局部点应力结果进行对比，当时，根据提取的节点应力结果，由计算特征长度l内的有效应力；否则，提高转速，进行有限元分析（由于应力与转速平方成正比，因此，可根据s2中的应力结果，快速得到转速提高后的应力结果，无需进行有限元分析），然后执行s1至s3的工作内容；s5、由实测拉伸性能数据与有效应力结果进行比较，当时，此时的转速即为破裂转速；否则，继续提高转速，然后执行s1至s4的工作内容；s6、完成s1至s5后，可分别获得圆弧端齿齿根及螺栓孔部位的破裂转速，两者较低的转速即为圆弧端齿结构破裂转速。
30.本发明实施例的有益效果为：1、本发明提供的评估方法预测精度较高且结果偏安全，能够满足工程应用；2、本发明提供的评估方法所需相关材料性能参数均采用现有材料手册及盘体实测性能，数据易获得；3、本发明提供的评估方法所需参数少，易操作，方法较简单。
31.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：

1.一种圆弧端齿结构转子破裂转速评估方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、在基准转速下采用三维模型进行线弹性有限元分析，得到有限元结果；步骤二、根据所述有限元结果，在应力集中部位沿主应力梯度最大方向提取应力集中部位各节点第一主应力、温度及节点坐标；步骤三、根据同批次解剖件不同温度下的取样测试数据得到圆弧端齿工作温度下实测拉伸性能和实测材料断裂韧性，并确定特征长度l；步骤四、根据步骤三中确定的所述特征长度l以及所述步骤二中应力集中部位各节点第一主应力、温度及节点坐标，计算特征长度l内的有效应力；步骤五、根据实测拉伸性能数据与所述有效应力结果进行比较，确定破裂转速。2.根据权利要求1所述的圆弧端齿结构转子破裂转速评估方法，其特征在于，所述步骤二具体为：分别在圆弧端齿齿根及螺栓孔第一主应力最大位置提取节点第一主应力、温度及节点坐标。3.根据权利要求2所述的圆弧端齿结构转子破裂转速评估方法，其特征在于，所述步骤三具体为：根据公式确定特征长度l。4.根据权利要求3所述的圆弧端齿结构转子破裂转速评估方法，其特征在于，所述步骤四包括：步骤4.1、对比应力集中部位局部点应力与实测拉伸性能大小，当时，由公式计算特征长度l内的有效应力。5.根据权利要求4所述的圆弧端齿结构转子破裂转速评估方法，其特征在于，所述步骤四还包括：步骤4.2、对比应力集中部位局部点应力与实测拉伸性能大小，当时，提高转速并重复执行所述步骤一至所述步骤三。6.根据权利要求5所述的圆弧端齿结构转子破裂转速评估方法，其特征在于，所述步骤五包括：步骤5.1、由实测拉伸性能数据与有效应力结果进行比较，当时，确定此时的转速为应力集中部位的所述破裂转速。7.根据权利要求6所述的圆弧端齿结构转子破裂转速评估方法，其特征在于，所述步骤五还包括：步骤5.2、当时，继续提高转速并重复执行所述步骤一至所述步骤四。8.根据权利要求1所述的圆弧端齿结构转子破裂转速评估方法，其特征在于，所述圆弧端齿结构转子破裂转速评估方法还包括步骤六，所述步骤六具体为：重复执行所述步骤一至所述步骤五，分别获得圆弧端齿齿根破裂转速及螺栓孔部位的破裂转速，圆弧端齿结构破裂转速为圆弧端齿齿根破裂转速和螺栓孔部位的破裂转速中的较小值。

技术总结

本发明提供了一种圆弧端齿结构转子破裂转速评估方法，包括以下步骤：步骤一、在基准转速下采用三维模型进行线弹性有限元分析，得到有限元结果；步骤二、根据步骤一的结果，在应力集中部位沿主应力梯度最大方向提取应力集中部位各节点第一主应力、温度及节点坐标；步骤三、根据同批次解剖件不同温度下的取样测试数据得到圆弧端齿工作温度下实测拉伸性能和实测材料断裂韧性，并确定特征长度；步骤四、根据步骤三中确定的特征长度以及步骤二中的结果，计算特征长度内的有效应力；步骤五、根据实测拉伸性能数据与有效应力结果进行比较，确定破裂转速。本发明预测精度较高且结果偏安全，能够满足工程应用。能够满足工程应用。能够满足工程应用。