一种压气机模拟叶片应力梯度试验件及优化方法技术

本发明专利技术公开了一种压气机模拟叶片应力梯度试验件及优化方法，通过对真实叶片的三维模型进行有限元仿真，取前缘最大应力处作为特征位置，提取特征位置的截面尺寸，从有限元仿真的结果中提取特征前缘横截面的应力梯度分布与几何尺寸特征，根据特征位置的截面尺寸、前缘横截面的应力梯度分布与几何尺寸特征建立模拟叶片模型，对模拟叶片模型的应力分布进行数值仿真，并进行修正直至与真实叶片应力分布相匹配得到模拟叶片的最终参数，通过数值仿真应力分布对前缘斜率进行修正，使之能体现真实叶片特征位置前缘的应力特征，摒弃了现有技术中将真实叶片的外形尺寸参数作为模拟的基础，而是将体现真实叶片特征位置前缘的应力特征作为模拟的基础，最终得到的模拟叶片外形尺寸与真实叶片的外形尺寸可以不同，而能够准确体现真实叶片发动机前缘在工作中的应力状态，提高了试验结果的准确度。高了试验结果的准确度。高了试验结果的准确度。

【技术实现步骤摘要】
一种压气机模拟叶片应力梯度试验件及优化方法


[0001]本专利技术涉及飞行器发动机叶片模拟试验
，具体涉及一种压气机模拟叶片应力梯度试验件及优化方法。

技术介绍

[0002]航空发动机中的典型风扇叶片是一个复杂的几何结构，具有不断变化的外倾角和扭曲面，部分压气机叶片还包括减震凸台，其作用是用来增强叶片工作时的稳定性，使叶片应力分布更加复杂。叶片进气边处产生的应力是由惯性力(F
z
)、压力载荷(F
x
)以及几何形状变化导致的沿叶片长度变化的复杂载荷(F
y
)和力矩共同作用的结果，这些载荷和力矩的分布如图1所示。
[0003]发动机在工作过程中，叶片会受到低周载荷和高周载荷的共同作用，研究表明从叶片根部区域移动到前端区域时，叶片所受到的应力比会发生变化。在根部和中部区域，叶片的前缘进气边会受到相对较大的应力，并且产生的应力会向着排气边方向逐渐降低。这将会导致叶片的应力比从R＝0.8变化到 R＝
‑
1。此外，前缘区域也存在叶片外倾引起的应力梯度。应力比的变化和前缘应力梯度对于类叶片试样的设计有着十分重要的影响。
[0004]在航空发动机的设计与制造中，对于压气机叶片的研究十分广泛，涉及了冲击、振动、疲劳等多个领域。而真实叶片造价昂贵，生产周期长，用于试验研究的模拟叶片设计显得尤为重要。现有技术中，模拟叶片的设计经历了早期的平板模拟叶片、狗骨头样模拟叶片，以及今年来发展的前缘模拟叶片、弯曲前缘模拟叶片等。设计理念从最初的材料性能研究到现如今的结构件特性研究，取得了较大的进步。
[0005]前缘模拟叶片大多直接考虑叶片前缘截面的几何尺寸特征，但在真实发动机叶片工作中，应力特征更为重要，与叶片工作性能的联系更为密切。因此，想要更准确地对发动机叶片开展研究，势必要专利技术能够准确模拟前缘位置应力特征的模拟叶片，既要求模拟叶片能够开展冲击及疲劳试验，又要求模拟叶片能准确体现发动机前缘在工作中的应力状态。由于现有技术中对于模拟叶片的设计大多直接以真实叶片的形状参数进行仿制，但由于材料、工艺不同，形状参数一致不能使模拟叶片准确体现真实叶片发动机前缘在工作中的应力状态，造成试验结果的不准确，无法准确模拟真实叶片前缘应力分布情况，从而导致无法得到有效的实验数据。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种压气机模拟叶片应力梯度试验件及优化方法，以克服现有技术的不足。
[0007]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种压气机模拟叶片应力梯度试验件参数优化方法，包括以下步骤：
[0009]S1，对真实叶片的三维模型进行有限元仿真，取前缘最大应力处作为特征位置，提取特征位置的截面尺寸；
[0010]S2，从有限元仿真的结果中提取特征前缘横截面的应力梯度分布与几何尺寸特征；
[0011]S3，根据特征位置的截面尺寸、前缘横截面的应力梯度分布与几何尺寸特征建立模拟叶片模型，对模拟叶片模型的应力分布进行数值仿真，并进行修正直至与真实叶片应力分布相匹配得到模拟叶片的最终参数。
[0012]进一步的，特征位置的截面尺寸包括前缘曲率半径和斜边斜率。
[0013]进一步的，计算真实叶片在实际工作转速下的应力分布，提取特征位置截面应力分布，分析前缘至叶中的梯度分布规律，求得最大拉应力与最大压应力之比，作为迭代收敛判断的目标函数值；计算模拟叶片模型的拉伸应力，当模拟叶片模型在前缘至叶中的最大拉应力与最大压应力之比小于目标函数值，则对应建立模拟叶片模型的尺寸为最终尺寸。
[0014]进一步的，从真实叶片特征位置截面初始尺寸参数中提取前缘半径、斜边夹角以及1/2叶身厚度，其中前缘半径在迭代过程中保持不变，将剩余两个参数作为模拟叶片尺寸初始值，定义斜边夹角为θ，1/2叶身厚度为d，建立模拟叶片模型。
[0015]进一步的，计算模拟叶片的拉伸应力，并提取前缘最大应力截面上的应力梯度分布特征，求得最大拉应力与最大压应力之比，与数值仿真得到的真实叶片特征截面上最大拉压应力之比进行对比。
[0016]进一步的，当模拟叶片模型在前缘至叶中的最大拉应力与最大压应力之比与目标函数值差值小于5％，则对应建立模拟叶片模型的尺寸为最终尺寸，否则采用优化算法调整θ与d的数据进行下一轮的迭代，直到满足优化结束条件。
[0017]进一步的，考虑应力梯度的模拟压气机叶片最终参数包括：
[0018]刃口叶片前缘半径为特征截面前缘半径；多次迭代计算后满足优化结束条件的θ与d为刃口叶片的斜边夹角与平板段厚度。
[0019]进一步的，夹持端厚度大于3倍平板段厚度。
[0020]一种模拟叶片结构，包括夹持端及刃口叶片，刃口叶片的厚度小于夹持端的厚度，所述刃口叶片包括平板段及位于平板段前后两侧的前缘，平板段的两端与夹持端通过圆弧过渡连接，前缘的两端与夹持端通过圆弧过渡连接；两个前缘在平板段两侧呈对称设置。
[0021]进一步的，刃口叶片前缘半径为特征截面前缘半径；
[0022]多次迭代计算后满足优化结束条件的θ与d为刃口叶片的斜边夹角与平板段厚度；刃口叶片平板段宽度为前缘宽度的2倍；刃口叶片长度设置为刃口叶片宽度的1.5倍；刃口叶片与夹持端过渡段倒圆角，圆角半径为夹持端厚度；夹持端厚度大于3倍平板段厚度。
[0023]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0024]本专利技术一种压气机模拟叶片应力梯度试验件参数优化方法，通过对真实叶片的三维模型进行有限元仿真，取前缘最大应力处作为特征位置，提取特征位置的截面尺寸，从有限元仿真的结果中提取特征前缘横截面的应力梯度分布与几何尺寸特征，根据特征位置的截面尺寸、前缘横截面的应力梯度分布与几何尺寸特征建立模拟叶片模型，对模拟叶片模型的应力分布进行数值仿真，并进行修正直至与真实叶片应力分布相匹配得到模拟叶片的最终参数，通过数值仿真应力分布对前缘斜率进行修正，使之能体现真实叶片特征位置前缘的应力特征，摒弃了现有技术中将真实叶片的外形尺寸参数作为模拟的基础，而是将体现真实叶片特征位置前缘的应力特征作为模拟的基础，最终得到的模拟叶片外形尺寸与真
实叶片的外形尺寸可以不同，而能够准确体现真实叶片发动机前缘在工作中的应力状态，提高了试验结果的准确度。
附图说明
[0025]图1是本专利技术实施例中模拟叶片尺寸参数优化流程图。
[0026]图2是本专利技术实施例中真实叶片截面应力分布状态示意图。
[0027]图3是本专利技术实施例中刃口叶片截面应力分布状态示意图。
[0028]图4是本专利技术实施例中截面应力变化曲线。
[0029]图5是本专利技术中实施例中采用的试验件主视图。
[0030]图6是叶片工作时受力情况示意图。
[0031]图中，1—刃口叶片；2—夹持端；101—平板段；102—前缘。
具体实施方式
[0032]下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种压气机模拟叶片应力梯度试验件参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，对真实叶片的三维模型进行有限元仿真，取前缘最大应力处作为特征位置，提取特征位置的截面尺寸；S2，从有限元仿真的结果中提取特征前缘横截面的应力梯度分布与几何尺寸特征；S3，根据特征位置的截面尺寸、前缘横截面的应力梯度分布与几何尺寸特征建立模拟叶片模型，对模拟叶片模型的应力分布进行数值仿真，并进行修正直至与真实叶片应力分布相匹配得到模拟叶片的最终参数。2.根据权利要求1所述的一种压气机模拟叶片应力梯度试验件参数优化方法，其特征在于，特征位置的截面尺寸包括前缘曲率半径和斜边斜率。3.根据权利要求1所述的一种压气机模拟叶片应力梯度试验件参数优化方法，其特征在于，计算真实叶片在实际工作转速下的应力分布，提取特征位置截面应力分布，分析前缘至叶中的梯度分布规律，求得最大拉应力与最大压应力之比，作为迭代收敛判断的目标函数值；计算模拟叶片模型的拉伸应力，当模拟叶片模型在前缘至叶中的最大拉应力与最大压应力之比小于目标函数值，则对应建立模拟叶片模型的尺寸为最终尺寸。4.根据权利要求3所述的一种压气机模拟叶片应力梯度试验件参数优化方法，其特征在于，从真实叶片特征位置截面初始尺寸参数中提取前缘半径、斜边夹角以及1/2叶身厚度，其中前缘半径在迭代过程中保持不变，将剩余两个参数作为模拟叶片尺寸初始值，定义斜边夹角为θ，1/2叶身厚度为d，建立模拟叶片模型。5.根据权利要求4所述的一种压气机模拟叶片应力梯度试验件参数优化方法，其特征在于，计算模拟叶片的拉伸应力，并提取前缘最大应力截面上的应力梯度分布特征，求得最大拉应力与最大压...

【专利技术属性】
技术研发人员：周留成，何卫锋，王凌峰，聂祥樊，赵振华，罗思海，安志斌，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：