一种无螺栓结构涡轮盘挡板的破裂转速仿真分析方法
一种无螺栓结构涡轮盘挡板的破裂转速仿真分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种航空发动机结构强度仿真分析技术，具体的说是一种无螺栓结构 满轮盘挡板的破裂转速仿真分析方法。
【背景技术】
[0002] 早期航空发动机的满轮盘与前、后挡板的连接形式通常为螺栓连接，运种连接虽 然简单可靠，但需要在满轮盘和挡板上加工出螺栓孔，运样就降低了相关零件的低循环疲 劳寿命。满轮盘与挡板的无螺栓连接结构是高推重比、长寿命燃气满轮发动机的关键结构 设计技术之一，具有在满轮盘上不开孔或少开孔等优点，新设计结构难点是实现可靠的定 位和紧固，一旦挡板失去定位或紧固，定屯、关系被破坏，必将导致转子系统的不平衡量激 增，引发安全隐患甚至破坏失效。
[0003] 无螺栓结构满轮盘挡板应用于航空发动机的初期，必然会伴随着各种故障的出 现。由于其连接不如螺栓结构稳定可靠，如果挡板强度储备不足，或工作中失去定位或紧 固，均可能引发挡板的破坏失效。
[0004] 随着新式航空发动机更多地应用无螺栓结构满轮盘挡板，迫切需要针对无螺栓结 构挡板进行破裂转速仿真分析，保证挡板在设计转速区间内安全可靠地工作。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中无螺栓结构满轮盘挡板存在可能引发挡板的破坏失效等不足，本 发明要解决的技术问题是提供一种可保证挡板在设计转速区间内安全可靠地工作的无螺 栓结构满轮盘挡板的破裂转速仿真分析方法。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0007] 本发明一种无螺栓结构满轮盘挡板的破裂转速仿真分析方法，包括W下步骤：
[000引建立能够准确反应整体叶盘结构形式的二维截面模型；
[0009] 设置弹性材料模型；
[0010] 根据模型特征创建轴对称单元及平面应力单元；
[0011] 设置边界条件及载荷；
[0012] 计算求解决器参数；
[0013] 判断计算求解过程是否收敛；
[0014] 如果求解过程收敛，则后处理输出应力计算结果；
[001引根据破裂准则计算出挡板破裂转速。
[0016] 如果求解过程不收敛，则返回计算求解决器参数步骤。
[0017] 建立能够准确反应整体叶盘结构形式的二维截面模型为：
[0018] 首先在二维或Ξ维CAD软件中建立挡板的二维或Ξ维模型，然后将模型导入有限 元分析软件创建特征截面，并分割出非轴对称的特征截面。
[0019] 设置弹性材料模型即为设置弹塑性材料模型属性，包括材料密度、线膨胀系数、泊 松比、弹性模量w及材料进入塑性区的应力应变关系。
[0020] 根据模型特征创建轴对称单元及平面应力单元为：
[0021] 在轴对称截面上划分轴对称单元，在非回转特征截面上划分带厚度的平面应力单 元，单元厚度通过实常数指定。
[0022] 设置边界条件及载荷为：
[0023] 根据挡板不同工作状态，设置溫度场、旋转角转速、装配反作用力及约束边界条 件。
[0024] 计算求解决器参数为：
[0025] 检查模型边界条件是否准确，通过设置合适的时间步长、迭代次数W及收敛准则 等，逐步消除计算误差，实现计算求解的收敛。
[0026] 后处理输出计算结果为：
[0027] 在后处理器中输出单元应力及单元面积计算结果，导出后可用于计算截面平均应 力。
[0028] 根据破裂准则计算挡板破裂转速为：
[0029] 应用平均应力法计算无螺栓结构挡板的周向破裂转速：
[0030]
(1)
[0031 ]其中，ξ为材料利用系数，nmax为轮盘最大物理转速，
[0032] 化为材料的拉伸强度极限，0 为在轮盘最大物理转速下的平均周向应力。
[0033] 轮盘子午截面上平均周向应力浸^::按W下公式计算：
[0034] (2)
[0035] 其中，A1~Am为各单元面积，οτ为相应各单元的周向应力。
[0036] 利用W上参数完成无螺栓结构满轮盘挡板的破裂转速仿真计算。
[0037] 本发明具有W下有益效果及优点：
[0038] 1.本发明针对无螺栓结构挡板进行破裂转速仿真分析，保证挡板在设计转速区间 内安全可靠地工作，该技术方案的实施有助于提升航空发动机从业人员的技术素质，减少 航空发动机设计中的故障隐患，并为出现的发动机挡板故障分析提供决策依据和技术支 撑。
[0039] 2.本发明新式结构(如无螺栓结构满轮盘挡板结构)进行有针对性地技术研究，提 高航空发动机的可靠性将带来巨大的经济效益。
[0040] 3.本发明对未达到技术要求的设计结构提供了改进方向中，提高其强度储备系 统，减少挡板出现安全隐患甚至破坏失效的风险，在挡板的故障分析中也可应用该仿真方 法进行不同工况下无螺栓结构挡板进行破裂转速仿真分析，为排查故障原因、制定针对性 改进措施提供关键性的技术指导。
【附图说明】
[0041 ]图1为本发明方法流程图。
【具体实施方式】
[0042] 下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。
[0043] 如图1所示，本发明一种无螺栓结构满轮盘挡板的破裂转速仿真分析方法包括W 下步骤：
[0044] 建立能够准确反应整体叶盘结构形式的二维截面模型；
[0045] 设置弹性材料模型；
[0046] 根据模型特征创建轴对称单元及平面应力单元；
[0047] 设置边界条件及载荷；
[004引计算求解决器参数；
[0049] 判断计算求解过程是否收敛；
[0050] 如果求解过程收敛，则后处理输出应力计算结果；
[0051] 根据破裂准则计算出挡板破裂转速。
[0052] 如果求解过程不收敛，则返回计算求解决器参数步骤。
[0053] 本发明方法具体实施过程如下：
[0054] 1.建立无螺栓结构挡板二维截面模型：首先在二维或Ξ维CAD软件中建立挡板的 二维或Ξ维模型，然后将模型导入有限元分析软件创建特征截面，并分割出非轴对称的特 征截面和轴对称的特征截面，从Ξ维模型中截取二维特征截面。
[0055] 2.设置弹塑性材料模型:设置弹塑性材料模型属性，主要包括材料密度、线膨胀系 数、泊松比、弹性模量、材料进入塑性区的应力应变关系(如多线性随动强化模型）。
[0056] 3.根据模型特征创建轴对称单元及平面应力单元:在轴对称截面上划分轴对称单 元，在非回转特征截面（即非轴对称截面)上划分带厚度的平面应力单元，单元厚度通过实 常数指定。
[0057] 4.设置边界条件及载荷:根据挡板不同工作状态，设置溫度场、旋转角转速、装配 反作用力及约束边界条件。
[0058] 5 .设置求解器参数并进行求解:检查模型边界条件是否准确，通过设置合适的时 间步长、迭代次数W及收敛准则等，逐步消除计算误差，实现计算求解的收敛。
[0059] 6.后处理输出计算结果：在后处理器中输出单元应力及单元面积计算结果，导出 后可用于计算截面平均应力。
[0060] 7.根据破裂准则计算挡板破裂转速为：
[0061 ]应用平均应力法计算无螺栓结构挡板的周向破裂转速： 闺
C1)
[0063] 其中，ξ为材料利用系数，nmax为轮盘最大物理转速，
[0064] 化为材料的拉伸强度极限，〇 为在轮盘最大物理转速下的平均周向应力。
[00化]轮盘子午截面上平均周向应力揉按W下公式计算：
[0066] (2)
[0067] 其中，A1~Am为各单元面积，οτ为相应各单元的周向应力。
[0068] 利用W上参数完成无螺栓结构满轮盘挡板的破裂转速仿真计算。
[0069] 我国航空技术目前正处于快速发展时期，新技术、新结构大量涌现，因此对新式结 构(如无螺栓结构满轮盘挡板结构)进行有针对性地技术研究，提高航空发动机的可靠性将 带来巨大的经济效益。本技术方案的实施有助于提升航空发动机从业人员的技术素质，减 少航空发动机设计中的故障隐患，并为出现的发动机挡板故障分析提供决策依据和技术支 撑。
【主权项】
1. 一种无螺栓结构涡轮盘挡板的破裂转速仿真分析方法，其特征在于包括以下步骤： 建立能够准确反应整体叶盘结构形式的二维截面模型； 设置弹性材料模型； 根据模型特征创建轴对称单元及平面应力单元； 设置边界条件及载荷； 计算求解决器参数； 判断计算求解过程是否收敛； 如果求解过程收敛，则后处理输出应力计算结果； 根据破裂准则计算出挡板破裂转速。2. 按权利要求1所述的无螺栓结构涡轮盘挡板的破裂转速仿真分析方法，其特征在于： 如果求解过程不收敛，则返回计算求解决器参数步骤。3. 按权利要求1所述的无螺栓结构涡轮盘挡板的破裂转速仿真分析方法，其特征在于 建立能够准确反应整体叶盘结构形式的二维截面模型为： 首先在二维或三维CAD软件中建立挡板的二维或三维模型，然后将模型导入有限元分 析软件创建特征截面，并分割出非轴对称的特征截面。4. 按权利要求1所述的无螺栓结构涡轮盘挡板的破裂转速仿真分析方法，其特征在于 设置弹性材料模型即为设置弹塑性材料模型属性，包括材料密度、线膨胀系数、泊松比、弹 性模量以及材料进入塑性区的应力应变关系。5. 按权利要求1所述的无螺栓结构涡轮盘挡板的破裂转速仿真分析方法，其特征在于 根据模型特征创建轴对称单元及平面应力单元为： 在轴对称截面上划分轴对称单元，在非回转特征截面上划分带厚度的平面应力单元， 单元厚度通过实常数指定。6. 按权利要求1所述的无螺栓结构涡轮盘挡板的破裂转速仿真分析方法，其特征在于 设置边界条件及载荷为： 根据挡板不同工作状态，设置温度场、旋转角转速、装配反作用力及约束边界条件。7. 按权利要求1所述的无螺栓结构涡轮盘挡板的破裂转速仿真分析方法，其特征在于 计算求解决器参数为： 检查模型边界条件是否准确，通过设置合适的时间步长、迭代次数以及收敛准则等，逐 步消除计算误差，实现计算求解的收敛。8. 按权利要求1所述的无螺栓结构涡轮盘挡板的破裂转速仿真分析方法，其特征在于 后处理输出计算结果为： 在后处理器中输出单元应力及单元面积计算结果，导出后可用于计算截面平均应力。9. 按权利要求1所述的无螺栓结构涡轮盘挡板的破裂转速仿真分析方法，其特征在于 根据破裂准则计算挡板破裂转速为： 应用平均应力法计算无螺栓结构挡板的周向破裂转速：其中，ξ为材料利用系数，nmaxS轮盘最大物理转速， Ob为材料的拉伸强度极限，：为在轮盘最大物理转速下的平均周向应力。10.按权利要求9所述的无螺栓结构涡轮盘挡板的破裂转速仿真分析方法，其特征在于 轮盘子午截面上平均周向应力Iir:按以下公式计算：其中，Al~Am为各单元面积，στ为相应各单元的周向应力。 利用以上参数完成无螺栓结构涡轮盘挡板的破裂转速仿真计算。
【专利摘要】本发明涉及一种无螺栓结构涡轮盘挡板的破裂转速仿真分析方法，包括以下步骤：建立能够准确反应整体叶盘结构形式的二维截面模型；设置弹性材料模型；根据模型特征创建轴对称单元及平面应力单元；设置边界条件及载荷；计算求解决器参数；判断计算求解过程是否收敛；如果求解过程收敛，则后处理输出应力计算结果；根据破裂准则计算出挡板破裂转速。本发明针对无螺栓结构挡板进行破裂转速仿真分析，保证挡板在设计转速区间内安全可靠地工作，减少航空发动机设计中的故障隐患，并为出现的发动机挡板故障分析提供决策依据和技术支撑。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105488252
【申请号】CN201510817464
【发明人】侯东旭, 陈勇, 黄兴, 刘志, 张勇
【申请人】沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月22日
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种航空发动机结构强度仿真分析技术，具体的说是一种无螺栓结构 满轮盘挡板的破裂转速仿真分析方法。
【背景技术】
[0002] 早期航空发动机的满轮盘与前、后挡板的连接形式通常为螺栓连接，运种连接虽 然简单可靠，但需要在满轮盘和挡板上加工出螺栓孔，运样就降低了相关零件的低循环疲 劳寿命。满轮盘与挡板的无螺栓连接结构是高推重比、长寿命燃气满轮发动机的关键结构 设计技术之一，具有在满轮盘上不开孔或少开孔等优点，新设计结构难点是实现可靠的定 位和紧固，一旦挡板失去定位或紧固，定屯、关系被破坏，必将导致转子系统的不平衡量激 增，引发安全隐患甚至破坏失效。
[0003] 无螺栓结构满轮盘挡板应用于航空发动机的初期，必然会伴随着各种故障的出 现。由于其连接不如螺栓结构稳定可靠，如果挡板强度储备不足，或工作中失去定位或紧 固，均可能引发挡板的破坏失效。
[0004] 随着新式航空发动机更多地应用无螺栓结构满轮盘挡板，迫切需要针对无螺栓结 构挡板进行破裂转速仿真分析，保证挡板在设计转速区间内安全可靠地工作。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中无螺栓结构满轮盘挡板存在可能引发挡板的破坏失效等不足，本 发明要解决的技术问题是提供一种可保证挡板在设计转速区间内安全可靠地工作的无螺 栓结构满轮盘挡板的破裂转速仿真分析方法。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0007] 本发明一种无螺栓结构满轮盘挡板的破裂转速仿真分析方法，包括W下步骤：
[000引建立能够准确反应整体叶盘结构形式的二维截面模型；
[0009] 设置弹性材料模型；
[0010] 根据模型特征创建轴对称单元及平面应力单元；
[0011] 设置边界条件及载荷；
[0012] 计算求解决器参数；
[0013] 判断计算求解过程是否收敛；
[0014] 如果求解过程收敛，则后处理输出应力计算结果；
[001引根据破裂准则计算出挡板破裂转速。
[0016] 如果求解过程不收敛，则返回计算求解决器参数步骤。
[0017] 建立能够准确反应整体叶盘结构形式的二维截面模型为：
[0018] 首先在二维或Ξ维CAD软件中建立挡板的二维或Ξ维模型，然后将模型导入有限 元分析软件创建特征截面，并分割出非轴对称的特征截面。
[0019] 设置弹性材料模型即为设置弹塑性材料模型属性，包括材料密度、线膨胀系数、泊 松比、弹性模量w及材料进入塑性区的应力应变关系。
[0020] 根据模型特征创建轴对称单元及平面应力单元为：
[0021] 在轴对称截面上划分轴对称单元，在非回转特征截面上划分带厚度的平面应力单 元，单元厚度通过实常数指定。
[0022] 设置边界条件及载荷为：
[0023] 根据挡板不同工作状态，设置溫度场、旋转角转速、装配反作用力及约束边界条 件。
[0024] 计算求解决器参数为：
[0025] 检查模型边界条件是否准确，通过设置合适的时间步长、迭代次数W及收敛准则 等，逐步消除计算误差，实现计算求解的收敛。
[0026] 后处理输出计算结果为：
[0027] 在后处理器中输出单元应力及单元面积计算结果，导出后可用于计算截面平均应 力。
[0028] 根据破裂准则计算挡板破裂转速为：
[0029] 应用平均应力法计算无螺栓结构挡板的周向破裂转速：
[0030]
(1)
[0031 ]其中，ξ为材料利用系数，nmax为轮盘最大物理转速，
[0032] 化为材料的拉伸强度极限，0 为在轮盘最大物理转速下的平均周向应力。
[0033] 轮盘子午截面上平均周向应力浸^::按W下公式计算：
[0034] (2)
[0035] 其中，A1~Am为各单元面积，οτ为相应各单元的周向应力。
[0036] 利用W上参数完成无螺栓结构满轮盘挡板的破裂转速仿真计算。
[0037] 本发明具有W下有益效果及优点：
[0038] 1.本发明针对无螺栓结构挡板进行破裂转速仿真分析，保证挡板在设计转速区间 内安全可靠地工作，该技术方案的实施有助于提升航空发动机从业人员的技术素质，减少 航空发动机设计中的故障隐患，并为出现的发动机挡板故障分析提供决策依据和技术支 撑。
[0039] 2.本发明新式结构(如无螺栓结构满轮盘挡板结构)进行有针对性地技术研究，提 高航空发动机的可靠性将带来巨大的经济效益。
[0040] 3.本发明对未达到技术要求的设计结构提供了改进方向中，提高其强度储备系 统，减少挡板出现安全隐患甚至破坏失效的风险，在挡板的故障分析中也可应用该仿真方 法进行不同工况下无螺栓结构挡板进行破裂转速仿真分析，为排查故障原因、制定针对性 改进措施提供关键性的技术指导。
【附图说明】
[0041 ]图1为本发明方法流程图。
【具体实施方式】
[0042] 下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。
[0043] 如图1所示，本发明一种无螺栓结构满轮盘挡板的破裂转速仿真分析方法包括W 下步骤：
[0044] 建立能够准确反应整体叶盘结构形式的二维截面模型；
[0045] 设置弹性材料模型；
[0046] 根据模型特征创建轴对称单元及平面应力单元；
[0047] 设置边界条件及载荷；
[004引计算求解决器参数；
[0049] 判断计算求解过程是否收敛；
[0050] 如果求解过程收敛，则后处理输出应力计算结果；
[0051] 根据破裂准则计算出挡板破裂转速。
[0052] 如果求解过程不收敛，则返回计算求解决器参数步骤。
[0053] 本发明方法具体实施过程如下：
[0054] 1.建立无螺栓结构挡板二维截面模型：首先在二维或Ξ维CAD软件中建立挡板的 二维或Ξ维模型，然后将模型导入有限元分析软件创建特征截面，并分割出非轴对称的特 征截面和轴对称的特征截面，从Ξ维模型中截取二维特征截面。
[0055] 2.设置弹塑性材料模型:设置弹塑性材料模型属性，主要包括材料密度、线膨胀系 数、泊松比、弹性模量、材料进入塑性区的应力应变关系(如多线性随动强化模型）。
[0056] 3.根据模型特征创建轴对称单元及平面应力单元:在轴对称截面上划分轴对称单 元，在非回转特征截面（即非轴对称截面)上划分带厚度的平面应力单元，单元厚度通过实 常数指定。
[0057] 4.设置边界条件及载荷:根据挡板不同工作状态，设置溫度场、旋转角转速、装配 反作用力及约束边界条件。
[0058] 5 .设置求解器参数并进行求解:检查模型边界条件是否准确，通过设置合适的时 间步长、迭代次数W及收敛准则等，逐步消除计算误差，实现计算求解的收敛。
[0059] 6.后处理输出计算结果：在后处理器中输出单元应力及单元面积计算结果，导出 后可用于计算截面平均应力。
[0060] 7.根据破裂准则计算挡板破裂转速为：
[0061 ]应用平均应力法计算无螺栓结构挡板的周向破裂转速： 闺
C1)
[0063] 其中，ξ为材料利用系数，nmax为轮盘最大物理转速，
[0064] 化为材料的拉伸强度极限，〇 为在轮盘最大物理转速下的平均周向应力。
[00化]轮盘子午截面上平均周向应力揉按W下公式计算：
[0066] (2)
[0067] 其中，A1~Am为各单元面积，οτ为相应各单元的周向应力。
[0068] 利用W上参数完成无螺栓结构满轮盘挡板的破裂转速仿真计算。
[0069] 我国航空技术目前正处于快速发展时期，新技术、新结构大量涌现，因此对新式结 构(如无螺栓结构满轮盘挡板结构)进行有针对性地技术研究，提高航空发动机的可靠性将 带来巨大的经济效益。本技术方案的实施有助于提升航空发动机从业人员的技术素质，减 少航空发动机设计中的故障隐患，并为出现的发动机挡板故障分析提供决策依据和技术支 撑。
【主权项】
1. 一种无螺栓结构涡轮盘挡板的破裂转速仿真分析方法，其特征在于包括以下步骤： 建立能够准确反应整体叶盘结构形式的二维截面模型； 设置弹性材料模型； 根据模型特征创建轴对称单元及平面应力单元； 设置边界条件及载荷； 计算求解决器参数； 判断计算求解过程是否收敛； 如果求解过程收敛，则后处理输出应力计算结果； 根据破裂准则计算出挡板破裂转速。2. 按权利要求1所述的无螺栓结构涡轮盘挡板的破裂转速仿真分析方法，其特征在于： 如果求解过程不收敛，则返回计算求解决器参数步骤。3. 按权利要求1所述的无螺栓结构涡轮盘挡板的破裂转速仿真分析方法，其特征在于 建立能够准确反应整体叶盘结构形式的二维截面模型为： 首先在二维或三维CAD软件中建立挡板的二维或三维模型，然后将模型导入有限元分 析软件创建特征截面，并分割出非轴对称的特征截面。4. 按权利要求1所述的无螺栓结构涡轮盘挡板的破裂转速仿真分析方法，其特征在于 设置弹性材料模型即为设置弹塑性材料模型属性，包括材料密度、线膨胀系数、泊松比、弹 性模量以及材料进入塑性区的应力应变关系。5. 按权利要求1所述的无螺栓结构涡轮盘挡板的破裂转速仿真分析方法，其特征在于 根据模型特征创建轴对称单元及平面应力单元为： 在轴对称截面上划分轴对称单元，在非回转特征截面上划分带厚度的平面应力单元， 单元厚度通过实常数指定。6. 按权利要求1所述的无螺栓结构涡轮盘挡板的破裂转速仿真分析方法，其特征在于 设置边界条件及载荷为： 根据挡板不同工作状态，设置温度场、旋转角转速、装配反作用力及约束边界条件。7. 按权利要求1所述的无螺栓结构涡轮盘挡板的破裂转速仿真分析方法，其特征在于 计算求解决器参数为： 检查模型边界条件是否准确，通过设置合适的时间步长、迭代次数以及收敛准则等，逐 步消除计算误差，实现计算求解的收敛。8. 按权利要求1所述的无螺栓结构涡轮盘挡板的破裂转速仿真分析方法，其特征在于 后处理输出计算结果为： 在后处理器中输出单元应力及单元面积计算结果，导出后可用于计算截面平均应力。9. 按权利要求1所述的无螺栓结构涡轮盘挡板的破裂转速仿真分析方法，其特征在于 根据破裂准则计算挡板破裂转速为： 应用平均应力法计算无螺栓结构挡板的周向破裂转速：其中，ξ为材料利用系数，nmaxS轮盘最大物理转速， Ob为材料的拉伸强度极限，：为在轮盘最大物理转速下的平均周向应力。10.按权利要求9所述的无螺栓结构涡轮盘挡板的破裂转速仿真分析方法，其特征在于 轮盘子午截面上平均周向应力Iir:按以下公式计算：其中，Al~Am为各单元面积，στ为相应各单元的周向应力。 利用以上参数完成无螺栓结构涡轮盘挡板的破裂转速仿真计算。
【专利摘要】本发明涉及一种无螺栓结构涡轮盘挡板的破裂转速仿真分析方法，包括以下步骤：建立能够准确反应整体叶盘结构形式的二维截面模型；设置弹性材料模型；根据模型特征创建轴对称单元及平面应力单元；设置边界条件及载荷；计算求解决器参数；判断计算求解过程是否收敛；如果求解过程收敛，则后处理输出应力计算结果；根据破裂准则计算出挡板破裂转速。本发明针对无螺栓结构挡板进行破裂转速仿真分析，保证挡板在设计转速区间内安全可靠地工作，减少航空发动机设计中的故障隐患，并为出现的发动机挡板故障分析提供决策依据和技术支撑。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105488252
【申请号】CN201510817464
【发明人】侯东旭, 陈勇, 黄兴, 刘志, 张勇
【申请人】沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月22日
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