单晶涡轮叶片晶体取向优化设计

采用损伤型晶体蠕变滑移本构模型,对具体工况下某发动机单晶涡轮叶片进行蠕变变形分析.应用多学科优化设计理论采用自适应模拟退火(ASA)算法和非线性序列二次规划(NLSQP)优化算法对单晶叶片晶体取向进行优化设计.叶片分析结果表明:叶片纵向的晶体取向偏角和叶片横向随机取向的晶向角,对单晶叶片的叶尖蠕变变形具有较大的影响.对随机晶向角进行一维优化,当晶向角为76.2°时,叶片具有最小的叶尖径向位移0.077 74 mm,优化幅度为2.0%;叶片纵向偏差角0°时的叶尖径向位移为0.079 29mm,10°时的叶尖最大位移为0.093 52 mm,最大变化幅度为17.9%.      

考虑应力集中和晶向的单晶叶片低周疲劳优化分析

为评估单晶涡轮叶片低周疲劳寿命,提出了适用于单晶涡轮叶片的剪应力范围修正系数法。对单晶涡轮叶片进行了低周疲劳分析。采用剪应力范围修正系数法,克服了最大剪应力范围方法预测值偏高且无法考虑应力集中效应的缺点,其预测的低周疲劳寿命偏安全。基于有限变形晶体滑移理论、剪应力范围修正系数法和ANSYS有限元软件,建立了适用于镍基单晶涡轮叶片的低周疲劳分析及优化设计平台。对涡轮叶片进行了三维晶体取向相关性分析,通过对297个不同晶体取向的计算分析,预测的低周疲劳寿命最小值和最大值分别为328周和3861周。因此,通过控制晶体取向,可以在不增加重量(或不改变叶片结构)的基础上有效延长叶片低周疲劳寿命。     

镍基单晶DD3涡轮叶片蠕变寿命晶向相关性分析

基于三维正交各向异性弹性有限元分析和晶体滑移理论，分析了单品涡轮叶片在其工作状态下的应力状态和蠕变寿命与叶型积叠线方向的晶体取向偏角、随机取向的晶向角之间的关系。分析结果表明：叶型积叠线方向的晶体取向偏角和随机取向的品向角，对单晶叶片的应力状态和蠕变寿命具有较大的影响，但二者对叶片蠕变寿命的影响规律是不同的。充分利用品体取向偏角和品向角，在不增加叶片重量的前提下，有利于进一步发掘材料潜力。因此对单晶叶片的晶向进行优化设计，具有重要的工程应用价值。     

晶体取向的偏差和随机性对镍基单晶叶片强度与蠕变寿命的影响

本文提出双参数蠕变损伤模型用以模拟镍基单晶合金叶片的强度和寿命。该模型得到单轴应力状态和模拟叶片、双剪切试样复杂应力状态的考核。叶片分析表明:单晶叶片轴向的偏角增大,强度的分散性变大。两个不受控的晶体取向变化时,滑移系的分切应力最大有15%的变化;轴向的偏角的增大,寿命的分散性变大,15°的偏角,寿命偏差6倍。两个不受控的晶体取向变化时,寿命有50%的变化。结果表明:对叶片进行3维取向优化,可以提高叶片的蠕变寿命。      

非对称循环载荷下镍基单晶合金低周疲劳寿命预测

在680℃温度下进行[001]、[011]和[111]三种取向的DD3单晶合金光滑试样非对称循环载荷低周疲劳试验,结果表明,晶体取向对DD3单晶合金的应变疲劳寿命有显著的影响,[001]取向寿命最长,[111]取向寿命最短.用晶体取向函数修正总应变范围可以在很大程度上消除晶体取向对疲劳寿命的影响.引人参量k表示载荷循环特性对疲劳寿命的影响,它与循环寿命之间呈幂函数关系.根据影响单晶叶片低周疲劳寿命的主要因素,提出循环塑性应变能的计算方法,构成塑性应变能的主要因素应包括总应变范围、取向函数和载荷循环特性等影响参量,它们与塑性应变能之间呈幂函数关系.用塑性应变能作为损伤参量导出单晶合金低周疲劳寿命预测模型,利用低周疲劳试验数据进行多元线性回归分析,所有试验数据均落在2.6倍偏差的分布带内.     

晶体取向对航空发动机单晶叶片结构强度和蠕变寿命的影响

现代航空发动机镍基单晶叶片在生产时只控制叶片轴向为结晶方向,其它两个方向则处于随机状态。本文基于晶体滑移理论,计算分析了这种方向随机性对结构强度和蠕变寿命的影响。结果表明,保持轴向为结晶方向,其它两个方向为随机,在额定载荷作用下,某叶片强度储备系数相差20％,蠕变寿命则可相差5.5倍,使得有必要在铸造时对非结晶方向的晶体取向进行控制。本文进一步计算了叶片轴向与结晶方向偏角对性能的影响,偏角5°,蠕变失效寿命最大降低23％;两偏角10°,蠕变失效寿命最大降低一半,即严格控制轴向偏角对叶片也是至关重要的。     

一种考虑各向异性的DD6单晶高温合金低周疲劳寿命预测方法

为研究DD6单晶合金低周疲劳性能,准确预测其低周疲劳寿命,基于循环损伤累积(CDA)寿命模型,引入取向系数,提出一种考虑晶体取向的CDA寿命修正模型,并对DD6单晶合金试棒进行了760℃低周疲劳试验。利用CDA寿命修正模型与Coffin-Manson寿命预测模型对试验数据进行分析、比较得到:DD6单晶合金低周疲劳性能[001]取向最优,[011]取向次之,[111]取向最差;CDA寿命修正模型在各晶体取向寿命预测分散性皆优于Coffin-Manson寿命预测模型,具有更好的预测精度;CDA寿命修正模型综合考虑取向相关系数对各取向低周疲劳寿命的影响,具有更广泛的适用性。     

取向相关的单晶高温合金低周疲劳寿命评估方法

为研究单晶(SC)高温合金低周疲劳（LCF）性能各向异性规律,收集了SC7-14-6、DD3、PWA1480、Rene N4与DD6共5种单晶合金的低周疲劳试验数据,校验了文献中单晶合金不同晶体取向的弹性模量计算方法,利用不同取向的弹性模量对总应变幅进行修正,提出了一种简单的适用于单晶合金不同取向的低周疲劳损伤参量,进而形成了取向相关的单晶合金低周疲劳寿命评估方法,利用上述5种合金的试验数据对方法进行了验证。结果表明:弹性模量是单晶合金LCF性能各向异性的重要影响因素;文献中的不同晶体取向弹性模量换算方法较为可靠;所提低周疲劳寿命评估方法的预测结果大多在2倍分散带内。此方法形式简单、效果显著,较为适合工程应用。      

配合间隙对涡轮叶片榫头/榫槽接触的影响

采用率相关晶体塑性滑移理论模型,考虑镍基单晶的晶体取向和涡轮盘/片配合间隙的影响,针对涡轮叶片榫头/榫槽的复杂接触状况,研究了温度梯度载荷和离心载荷作用下三种取向的接触应力和低周疲劳损伤。结果表明:当榫头/榫槽的配合间隙小于3.7μm时,榫头/榫槽的接触应力随间隙值突变比较明显;而间隙值大于5.4μm时影响较小。接触应力和低周疲劳寿命对第一齿间隙值比较敏感,随间隙值的波动变化范围较大;第二齿的间隙对接触应力影响也较大,但对疲劳寿命的影响只在较小间隙值下较为明显。晶体取向对榫头/榫槽接触低周疲劳寿命有比较显著的影响,表现出明显的疲劳性能各向异性。     

镍基单晶结构的蠕变损伤寿命研究

基于镍基单晶合金材质细观演化规律，提出了同时考虑筏化-解筏及夹杂空洞损伤机理的双参数蠕变损伤本构模型。该本构模型已编入ABAQUS的umat。单向应力状态试验表明它可以模拟镍基单晶结构材料的蠕变规律，特别是晶体取向相关性；利用双剪切和模拟单晶叶片蠕变试验对模型进行了考核，结果相当满意。进一步对单晶叶片的蠕变损伤寿命进行分析，叶片的三维取向优化，可以很大程度地提高叶片的蠕变寿命。     

空心风扇叶片结构优化设计方法及程序实现

在空心风扇叶片结构强度分析的基础上,以叶片最大等效应力水平为约束条件,建立了叶片质量和径向位移最小化的双目标优化模型.采用正交试验设计的方法,分析了各设计变量对约束函数和目标函数的影响,减少了设计变量的数量.为了提高优化设计效率,采用径向基函数插值的方法,构造了约束函数和目标函数的响应面替代模型,从而避免了优化设计过程中大量的结构有限元分析求解.针对空心叶片结构强度优化设计的示例,探讨了替代模型和带精英策略的Pareto排序遗传算法的具体应用,得到了分布均匀的Pareto最优解,给出了空心叶片示例的具体优化设计结果.      

镍基单晶合金蠕变研究: 叶片蠕变的有限元分析

该文为镍基单晶合金高温蠕变建模研究工作的第三部分,利用前面研究已建立的蠕变材料模型及编写的ABAQUS软件UMAT子程序,选取了模型涡轮一级叶片叶身段,利用单晶DD3蠕变数据和实际叶片温度场,通过设定不同的晶体去向,分析了叶片主晶体去向偏差对叶片蠕变的影响,计算同时也给出了次向晶向偏差对分析的影响.整个分析,揭示了不同取向对叶片蠕变的影响:不同于材料的蠕变,叶片在通常控制的10°取向偏差内,蠕变分散也较大.      

一种高空飞艇螺旋桨结构多目标优化设计方法

为了远离旋转激振力的影响避免桨叶共振,需要提高桨叶的弯曲频率,这不可避免的会增加质量。为了解决低质量与高频率之间的矛盾,提出了一种螺旋桨两目标优化方法。以桨叶最小质量和最大弯曲频率作为两个优化目标,以复合材料的铺层角度、铺层厚度和铺层区域作为设计变量,以最大应变、桨尖最大位移和桨叶50%、75%和85%剖面处的扭转角作为约束,使用非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对螺旋桨进行优化设计,得到了关于质量和频率的Pareto解集。转速为520 r/min的两叶桨的转频为8.76 Hz,穿越频率为17.33 Hz,根据频率在Pareto解集上选取远离这两个点的方案。通过制造与测试,得到的实物桨叶频率为12.29 Hz,距离两个共振点都较远,有效的避免了桨叶共振。      

镍基单晶合金涡轮叶片榫头裂纹尖端应力场及扩展趋势

采用率相关晶体滑移有限元程序,考虑单晶材料晶体取向的影响,对镍基单晶合金涡轮叶片榫头裂纹特性进行有限元分析.分别计算了榫头裂纹在各向同性条件以及{001},{011},{111}三种不同晶体取向下裂纹尖端的Mises应力分布,并判断了裂纹的扩展趋势.结果表明:镍基单晶合金涡轮叶片在{001}[110],{011}[110],{111}[110]取向下的裂纹尖端均存在着明显的应力集中和较大的应力梯度,应力的最大值存在于裂纹尖端;{001},{011},{111}三种不同晶体取向的裂纹尖端的扩展开裂角分别为45°,54.7°,90°,说明镍基单晶合金涡轮叶片的裂纹扩展趋势受晶体取向的影响较大.      

DZ125光滑试样与小孔构件低循环/保载疲劳寿命建模

依据定向结晶合金DZ125光滑试样的低循环/保载疲劳试验寿命数据,提出一种预测定向结晶合金低循环/保载疲劳寿命的模型.此寿命模型可以同时考虑材料的晶向、平均应力、应变范围、应变比、最大应力对寿命的影响.接着研究DZ125合金光滑试样低循环/保载疲劳寿命与小孔构件低循环/保载疲劳寿命的关系,提出一种从光滑试样低循环/保载疲劳寿命数据预测小孔构件低循环/保载疲劳寿命的方法.应用本文提出的寿命模型,预测DZ125带小孔构件的低循环/保载疲劳寿命,并将预测寿命与小孔构件试验寿命对比,误差在2倍分散带左右.      

双级风扇三维粘性非定常流动的数值解

针对一台双级跨音速轴流风扇动静叶片排相互干扰的三维非定常流动,进行了N-S方程的数值求解。首先计算风扇定常流场,以定常流收敛结果为起始场计算非定常流动。计算结果表明,非定常流动对各叶片排进口气流角有较大的影响,其中静叶的变化大于动叶,与定常流结果相比,非定常的瞬态攻角增大的量大于减少的量,最多时增大近10°左右。静子叶片受到的非定常气动力变化幅度也大于转子叶片,叶片排所处的轴向位置不同,非定常流动的影响会有较大的差别。      

计入离心力影响的直升机旋翼翼型结冰数值模拟

建立了一套计入离心力影响的直升机旋翼翼型结冰的数值模拟方法.首先生成围绕翼型的贴体正交网格,然后用Navier-Stokes（N-S）方程求解黏性绕流流场.在此基础上,利用拉格朗日法建立水滴运动方程.其中,为提高计算效率,提出了结合位移矢量的水滴所处单元寻觅方法.最后,结合桨叶工作特点,发展了一种计入离心力影响的三维结冰模型.通过与桨叶结冰实验的对比,验证了本文结冰预测方法的可靠性.对比常规结冰模型,桨叶结冰量减少22.3%;若考虑桨叶的挥舞运动影响,桨叶结冰量进一步减少,表明了离心力及桨叶运动在结冰数值模拟中的重要性.通过不同剖面间的结冰量和冰形对比,分析并获得了桨叶结冰特征.结果表明离心力的影响程度随径向位移的增加而增加,下翼面结冰量随挥舞角的增加而减少.      

涡轮静叶叶型与气膜孔优化对气动与冷却性能影响

为研究气膜冷却涡轮叶片中叶型与气膜孔参数变化对涡轮静叶性能的影响,利用气膜冷却涡轮多目标优化平台对存在多列气膜孔的静叶进行多目标优化.获得在优化变量允许范围内针对气动效率与传热效果以及高温目标函数的Pareto前沿解集,整体性能得到了提高,不同方案中气动效率最高提升0.35%,叶片表面温度最大下降0.74%,高温函数降低的最大幅值为45.71%.结果表明:气动效率提升的主要原因是后弯角的提升使得叶型和二次流损失下降;接近驻点处前缘气膜孔方向的改变导致的冷气分流是叶片根部和前缘附近压力侧的冷却情况得到改善的主要原因.