一种多晶组织涡轮盘最优分区半径下的本构模型建立方法技术

本发明专利技术提供了一种多晶组织涡轮盘最优分区半径下的本构模型建立方法，包括如下步骤：S1、对多晶组织涡轮盘进行初始分区；S2：建立考虑到分区系数的多晶组织涡轮盘材料的初始本构模型；S3：获取每个区域的最优分区半径并进行合理性判断；S4：进行最终本构模型的建立；S5：对残余变形进行验证分析后修正最终本构模型。该方法通过轮盘破裂转速储备及轮缘蠕变变形与晶粒组织分区位置的优化迭代设计，确定典型晶粒组织的最优分区半径，基于最优分区半径创造建立的多晶组织涡轮盘本构模型，可用于多晶组织涡轮盘的弹塑性应力

【技术实现步骤摘要】
一种多晶组织涡轮盘最优分区半径下的本构模型建立方法


[0001]本专利技术属于航空发动机轮盘
，具体涉及一种多晶组织涡轮盘最优分区半径下的本构模型建立方法。

技术介绍

[0002]涡轮盘作为航空发动机的关键热端部件，同时承受高转速和高温。基于涡轮盘的工作特点，其轮毂部位需要具有高的疲劳强度，而轮缘部位则需要具有更优异的蠕变性能，因此，轮缘和轮毂部位具有不同显微组织的多晶组织涡轮盘更适应于航空发动机，其在轮盘的轮毂部位获得细晶组织来保证高疲劳强度，轮缘部位获得粗晶组织来保证良好的蠕变性能，轮缘和轮毂部位之间的过渡区(辐板位置)晶粒组织应平缓过渡，这种多晶组织涡轮盘避免了采用异种金属连接方式可能造成的安全隐患，更符合高推重比发动机的使用要求。
[0003]但是，传统的涡轮盘强度设计方法未考虑多晶组织涡轮盘组织分区产生的性能差异，无法定量分析多晶组织涡轮盘组织分区的收益，而对于多晶组织涡轮盘，粗晶组织区域越大，涡轮盘的蠕变性能越好；细晶组织区域越大，涡轮盘的疲劳强度越高，如何合计设计晶粒组织分区位置，直接关系到涡轮盘材料和结构能力能否得到最大限度地发挥，建立考虑分区性能差异的多晶组织涡轮盘弹塑性应力
‑
应变本构模型和强度设计方法已经迫在眉睫。

技术实现思路

[0004]为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种多晶组织涡轮盘最优分区半径下的本构模型建立方法，所述方法包括如下步骤：
[0005]S1、根据不同晶粒度的材料性能对多晶组织涡轮盘进行初始分区；
[0006]S2：根据初始分区的组织材料性能建立考虑到分区系数的多晶组织涡轮盘材料的初始本构模型；
[0007]S3：根据多晶组织涡轮盘的强度设计指标和初始本构模型获取每个区域的最优分区半径并进行合理性判断；
[0008]S4：根据S3获取的最优分区半径进行最终本构模型的建立；
[0009]S5：对多晶组织涡轮盘残余变形进行验证分析后修正最终本构模型。
[0010]本专利技术所提供的多晶组织涡轮盘最优分区半径下的本构模型建立方法，还具有这样的特征，所述S1中不同晶粒度的材料性能包括拉伸极限和屈服强度；初始分区分为细晶区、过渡区和粗晶区，
[0011]其中，多晶组织涡轮盘中心孔半径为r0、轮缘半径为r
n
、细晶区与过渡区的分区半径为r
a
、过渡区与粗晶区的分区半径为r
b
，则，r0﹤r
a
﹤r
b
﹤r
n
。
[0012]本专利技术所提供的多晶组织涡轮盘最优分区半径下的本构模型建立方法，还具有这样的特征，所述S2包括如下步骤：
[0013]S2.1：对不同晶粒度的材料性能进行归一化，并对应为各初始分区的材料性能；
[0014]S2.2：建立考虑到分区系数的多晶组织涡轮盘材料的初始本构模型；
[0015]S2.3:根据S2.1中的各初始分区的材料性能获取多晶组织涡轮盘任意半径下的分区系数。
[0016]本专利技术所提供的多晶组织涡轮盘最优分区半径下的本构模型建立方法，还具有这样的特征，所述S2.2中的初始本构模型为：
[0017][0018]其中，σ为应力，ε是应变，σ
s0
为屈服强度，ε
s0
＝σ
s0
/E是弹性应变；σ
b0
是拉伸极限，ε
b0
是材料达到拉伸极限时对应的应变；ε
p
是塑性应变，ε
p
＝ε
‑
σ/E，n是应变硬化指数，E是弹性模量，k为斜率、C1(r)为塑性分区系数、C2(r)为弹性分区系数。
[0019]本专利技术所提供的多晶组织涡轮盘最优分区半径下的本构模型建立方法，还具有这样的特征，所述S2.3中的分区系数分为塑性分区系数C1(r)和弹性分区系数C2(r)，则
[0020][0021][0022]其中，r为多晶组织涡轮盘任意半径、r
i
＝(r
a
+r
b
)/2、r0为圆盘中心孔半径、r
n
为轮缘半径，n为轮缘晶粒度等级分段数、b
i
为r
i
处的归一化后拉伸极限、b
n
为r
n
处的归一化后拉伸极限、s
i
为r
i
处的归一化的屈服强度、s
n
为r
n
处的归一化的屈服强度。
[0023]本专利技术所提供的多晶组织涡轮盘最优分区半径下的本构模型建立方法，还具有这样的特征，所述S3包括如下步骤：
[0024]S3.1：确定多晶组织涡轮盘周向破裂转速储备下限值为k
min
，轮缘蠕变变形上限值为l
max
；
[0025]S3.2：根据S2获得的多晶组织涡轮盘的初始本构模型分析建立多晶组织涡轮盘周向破裂转速储备与组织分区半径的关系曲线，后根据多晶组织涡轮盘周向破裂转速储备下限值获取细晶区与过渡区的最优分区半径r
a1
；
[0026]S3.3：根据S2获得的多晶组织涡轮盘的初始本构模型分析建立多晶组织涡轮盘轮缘蠕变变形与组织分区半径的关系曲线，后根据多晶组织涡轮盘轮缘蠕变变形上限值获取过渡区与粗晶区的最优分区半径r
b1
；
[0027]S3.4：当r
a1
＜r
b1
时，进入S4；当r
a1
≥r
b1
时，返回S3.1，降低周向破裂转速储备下限值k
min
或提高轮缘蠕变变形上限值l
max
。
[0028]本专利技术所提供的多晶组织涡轮盘最优分区半径下的本构模型建立方法，还具有这
样的特征，所述S5包括如下步骤：
[0029]S5.1：根据S4获取的最终本构模型，分析多晶组织涡轮残余变形，并描绘残余变形与转速的关系曲线；
[0030]S5.2：根据S3获取的最优分区半径进行多晶组织涡轮盘试制，后进行涡轮盘的超转试验，获得残余变形与转速的关系曲线；
[0031]S5.3：根据S5.1和S5,2分别获取的关系曲线获得材料修正系数U，通过材料修正系数U对分区系数进行修正后，重新获取最终本构模型。
[0032]本专利技术所提供的多晶组织涡轮盘最优分区半径下的本构模型建立方法，还具有这样的特征，所述S5.3中，重新获取的最终本构模型为：
[0033][0034]其中，σ为应力，ε是应变，σ
s0
为屈服强度，ε
s0
＝σ
s0
/E是弹性应变；σ
b0
是拉伸极限，ε
b0
是材料达到拉伸极限时对应的应变；ε
p
是塑性应变，ε
p
＝ε
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多晶组织涡轮盘最优分区半径下的本构模型建立方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：S1、根据不同晶粒度的材料性能对多晶组织涡轮盘进行初始分区；S2：根据初始分区的组织材料性能建立考虑到分区系数的多晶组织涡轮盘材料的初始本构模型；S3：根据多晶组织涡轮盘的强度设计指标和初始本构模型获取每个区域的最优分区半径并进行合理性判断；S4：根据S3获取的最优分区半径进行最终本构模型的建立；S5：对多晶组织涡轮盘残余变形进行验证分析后修正最终本构模型。2.根据权利要求1所述的多晶组织涡轮盘最优分区半径下的本构模型建立方法，其特征在于，所述S1中不同晶粒度的材料性能包括拉伸极限和屈服强度；初始分区分为细晶区、过渡区和粗晶区，其中，多晶组织涡轮盘中心孔半径为r0、轮缘半径为r
n
、细晶区与过渡区的分区半径为r
a
、过渡区与粗晶区的分区半径为r
b
，则，r0﹤r
a
﹤r
b
﹤r
n
。3.根据权利要求2所述的多晶组织涡轮盘最优分区半径下的本构模型建立方法，其特征在于，所述S2包括如下步骤：S2.1：对不同晶粒度的材料性能进行归一化，并对应为各初始分区的材料性能；S2.2：建立考虑到分区系数的多晶组织涡轮盘材料的初始本构模型；S2.3:根据S2.1中的各初始分区的材料性能获取多晶组织涡轮盘任意半径下的分区系数。4.根据权利要求3所述的多晶组织涡轮盘最优分区半径下的本构模型建立方法，其特征在于，所述S2.2中的初始本构模型为：其中，σ为应力，ε是应变，σ
s0
为屈服强度，ε
s0
＝σ
s0
/E是弹性应变；σ
b0
是拉伸极限，ε
b0
是材料达到拉伸极限时对应的应变；ε
p
是塑性应变，ε
p
＝ε
‑
σ/E，n是应变硬化指数，E是弹性模量，k为斜率、C1(r)为塑性分区系数、C2(r)为弹性分区系数。5.根据权利要求3所述的多晶组织涡轮盘最优分区半径下的本构模型建立方法，其特征在于，所述S2.3中的分区系数分为塑性分区系数C1(r)和弹性分区系数C2(r)，则(r)，则
其中，r为多晶组织涡轮盘任意半径、r
i
＝(r
a
+r
b
)/2、r0为圆盘中心孔半径、r
n
为轮缘半径，n为轮缘晶粒度等级分段数、b
i
为r
i
处的归...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘容，许文昌，王永明，王春健，陈官峰，黄顺洲，
申请(专利权)人：中国航发四川燃气涡轮研究院，
类型：发明
国别省市：