大尺寸盘榫结构件疲劳寿命优化设计及验证方法研究.pdf
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1、2023 年 9 月第 44 卷 第 9 期Sept.2023Vol.44 No.9推进技术JOURNAL OF PROPULSION TECHNOLOGY2210107-1大尺寸盘榫结构件疲劳寿命优化设计及验证方法研究*杜青1,张建1,张海洋1,梁振兴1,陈育志1,李佳1,徐胜利1,2(1.中国航发沈阳发动机研究所,辽宁 沈阳 110015;2.大连理工大学 能源与动力学院,辽宁 大连 116024)摘 要:针对航空发动机及燃气轮机设计中盘榫应力集中导致的结构件寿命瓶颈问题,导入三次B样条曲线优化理念,以较低设计参数调整维度代价获得了定性合理、可变性较大的榫槽优化结构,稳定提高了设计优化速率
2、和泛化能力。面向大尺寸盘榫结构件,提出根据优化前后榫槽应力集中位置的应力水平和梯度设计模拟件进行验证,保证了大尺寸结构件设计方案验证的等效性和充分性。仿真结果显示,优化后的盘榫结构件最大应力降低45%,低周疲劳寿命提高约36倍;基于应力集中和梯度设计的模拟件验证结果与仿真结果一致,印证了优化收益和验证方法可靠性,对于大尺寸结构件疲劳试验设计具有普遍借鉴意义。关键词:大尺寸结构件;盘榫结构;B样条曲线方法;低周疲劳;模拟件设计中图分类号:TK477;O342 文献标识码:A 文章编号:1001-4055(2023)09-2210107-07DOI:10.13675/ki.tjjs.2210107
3、Fatigue Life Optimization Design and Verification Method of Large-Size Disc and Tenon StructureDU Qing1,ZHANG Jian1,ZHANG Hai-yang1,LIANG Zhen-xing1,CHEN Yu-zhi1,LI Jia1,XU Sheng-li1,2(1.AECC Shenyang Engine Research Institute,Shenyang 110015,China;2.School of Energy and Power Engineering,Dalian Uni
4、versity of Technology,Dalian 116024,China)Abstract:Aiming at the bottleneck problem of structure life caused by tenon stress concentration in aero-engine and gas turbine design,the concept of cubic B-spline curve optimization is introduced.A qualitatively reasonable and variable tenon optimization s
5、tructure is obtained at a lower design parameter adjustment dimension cost,which steadily improves the design optimization rate and generalization ability.For the large-size disc and tenon structure,it is proposed to design the simulation according to the stress level and gradient of the stress conc
6、entration position of the tenon before and after optimization,which ensures the equivalence and adequacy of the design verification of the large-size structure.The simulation results show that the maximum stress of the optimized disc and tenon structure is reduced by 45%,and the low cycle fatigue li
7、fe increases by 36 times.The verification results of the simulation parts based on stress concentration and gradient design are consistent with the simulation results,which reflects the optimization benefits and the reliability of the verification method,which can be used as a universal reference fo
8、r the fatigue test design of large-size structures.*收稿日期:2022-10-29;修订日期:2023-01-07。基金项目:国家科技重大专项(J2019-IV-0012-0080)。通讯作者:杜青,硕士,工程师,研究领域为航空发动机及燃机的优化、振动及疲劳寿命。E-mail:tju_引用格式:杜青,张建,张海洋,等.大尺寸盘榫结构件疲劳寿命优化设计及验证方法研究 J.推进技术,2023,44(9):2210107.(DU Qing,ZHANG Jian,ZHANG Hai-yang,et al.Fatigue Life Optimizati
9、on Design and Verification Method of Large-Size Disc and Tenon Structure J.Journal of Propulsion Technology,2023,44(9):2210107.)推进技术2023 年第 44 卷 第 9 期2210107-2Key words:Large-size structure;Disc and tenon structure;B-spline curve method;Low cycle fatigue;Simulation design1 引 言在燃气轮机设计过程中,压气机盘前缘挤压工作面与
10、槽底转角处存在高应力区,局部点等效应力超过了材料的屈服强度,不满足长寿命使用要求,需要对盘榫连接结构开展优化设计,降低局部点应力,提高压气机盘的低周疲劳寿命,增加轮盘的可靠性。盘榫结构优化方面,宗洪明等1分别采用单圆弧、双圆弧及样条曲线方法对枞树形榫接结构过渡区域进行优化设计,发现样条曲线取得了最佳的优化效果;Song等2采用 B 样条曲线方法对枞树型榫齿进行局部造型并开展优化设计,取得了较好的效果;任远等3采用 B 样条曲线方法对风扇叶片伸根段开展优化设计,增大叶片共振裕度,使其振动特性得到改善。以上研究表明 B 样条曲线优化方法能够有效应用到枞树形榫接结构或者伸根结构的优化设计。本文首次针
11、对压气机燕尾形榫槽,采用 B样条曲线法开展优化设计,研究 B样条曲线优化方法在燕尾形榫槽结构中的优化效果。为验证优化措施的有效性,需开展低周疲劳试验验证,但压气机轮盘转子质量大,试验加减速时间周期长,对真实构件进行低周疲劳试验将耗费大量资源和周期,通常采用低周疲劳等效模拟件代替真实件开展低周疲劳试验4-5。刘廷毅等6基于最大主应力及应力梯度一致的原则设计了试验模拟件,采用销钉孔加载方式开展低周疲劳试验,经验证与实际构件寿命非常接近;郑小梅等7基于拉伸应变能寿命预测模型,对某涡轮盘螺栓孔进行了模拟件优化设计,试验显示模拟件和轮盘试验数据分别给出的安全寿命有良好的一致性;李迪等8基于几何缩比和载荷
12、缩比前后应力大小和分布规律相似的原则,开展了圆弧形榫连接结构模拟件设计,试验显示该缩比结构裂纹萌生寿命满足设计目标。本文基于最大主应力及应力梯度一致的原则,通过设计简洁的平板模拟件结构形式和稳定的两端夹持加载方式,提高了优化效率,降低了结构超差、非考核位置破坏等风险,完成了低周疲劳等效模拟件设计和优化效果验证。2 基于三次B样条曲线的榫槽优化方法榫槽结构优化设计时通常将其轮廓曲线进行参数化,这样只需用较少的控制点就可以得到光滑的轮廓曲线。常用的曲线参数化方法有 Bezier曲线法、B 样条曲线法和 Nurbs曲线法9。考虑到 B 样条方法具有很强的非线性映射能力,具有复杂度低、泛化能力强及实时
13、性好等优点10,本文选用三次 B样条曲线的方法对榫槽结构开展优化设计。三次 B样条曲线由相邻四个顶点定义,设四个顶点为 Pi(i=0,1,2,3),则可得曲线表达式为B(t)=F0,3(t)P0+F1,3(t)P1+F2,3(t)P2+F3,3(t)P3(0t1)(1)式中 t为节点参数值;F 为三次 B 样条曲线的基函数,是给定形式的关于 t的表达式11-12。通过对基函数 F的加权组合,对给定的数据点 Pi进行局部逼近,将曲线的离散点拟合为函数再加以表达,大大减少参数的数量。同时 B样条曲线具有良好的局部支撑性,可以进行局部调整,不需要对整条曲线进行改变13,当移动 B样条曲线的其中一个控
14、制点 Pi时,只有 Pi所控制的几条曲线会发生变化,其余曲线保持不变。该方法的明显优点是局部控制能力比较好,灵活性较强,且对复杂的形状能够做到光滑性处理14。以三次 B样条曲线法为基础,设计榫槽优化流程如图 1 所示,以遗传算法为基础,通过引入代理模型方法,提高计算效率;每次优化后判断是否符合收敛条件,如不符合收敛条件将本次迭代得到的最优点也加入样本集中,提高收敛速度;直至优化结果收敛,输出最优解。Fig.1Flow chart of tenon optimization大尺寸盘榫结构件疲劳寿命优化设计及验证方法研究第 44 卷 第 9 期2023 年2210107-33 榫槽结构优化设计3.
15、1 问题描述对某型燃机压气机轮盘原结构开展强度分析。根据叶盘结构周期对称的特点,取单个扇段在 ANSYS中进行线弹性强度分析。设置材料参数:密度=7.77103kg/m3,弹 性 模 量 E20=1.85105MPa,E300=1.65105MPa,泊松比=0.3,热膨胀系数 100=1.1310-5-1,200=1.1610-5-1,参考温度为 20。在扇段对称面施加周期对称约束,并约束盘身一点的轴向位移。选取燃气轮机满负荷状态作为强度分析状态,施加相应转速和温度载荷15,有限元分析结果见图 2。结果显示轮盘前缘挤压工作面与槽底转角处有高应力区,局部点等效应力达到 1770MPa,超过了材料
16、的屈服强度。通过修正的 Neuber法6计算得到该高应力区的低周疲劳寿命为 9958 次,无法满足长寿命使用要求,亟需对其开展结构优化设计,降低局部点应力,提高使用寿命。3.2 优化参数及优化目标根据 B 样条曲线原理,结合燕尾形榫槽结构特点,对压气机一级盘开展优化。燕尾形榫槽底部曲线示意图如图 3 所示,使用 7个控制点的三阶 B 样条曲线对榫槽底部右侧曲线进行参数化建模,左侧曲线通过镜像得到。控制点P0P6的坐标通过常数 L 和在 01 变化的参数 t0t4表示,此处常数L为原榫槽底部曲线在x方向的长度。榫槽参数化建模的控制参数及变化范围如表 1所示。为优化榫槽底部的高应力区,降低榫槽底部
17、的最大等效应力,定义如下优化目标为min n(ti)=max/0.2s.t.timintitimax(2)式中 max为榫槽最大等效应力,0.2为相应温度下材料的屈服应力。3.3 优化效果分析运用上述榫槽优化方法及图 1所示的优化流程,针对一级轮盘开展改进优化设计工作,最终确定一级盘改进优化方案如图 4所示,榫槽形状由原直线过渡方式改为圆弧形过渡方式。针对榫槽优化方案开展强度分析和寿命分析,分析方法、状态、载荷、边界条件与改进前模型一致,计算结果如图 5所示,优化前后应力分布及寿命计算结果对比如表 2 所示,得到结论如下:轮盘前缘挤压工作面与槽底转角处应力梯度降低,应力分布更合理,最大等效应力
18、由 1770MPa降低到 971MPa,降幅达到 45%;榫 槽 的 低 周 疲 劳 寿 命 由 9958 次 提 升 到371600次,提升 36倍以上。4 榫槽结构优化效果验证4.1 榫槽低周疲劳试验模拟件设计4.1.1 形状与尺寸设计 为验证 B样条曲线榫槽优化方法的有效性,采用设计相应低周疲劳模拟件的方式对优化前后压气机Fig.3Schematic curve of the bottom of the tenonTable 1 Range and function of parametersParameterst0t1t2t3t4Role of parametersControl th
19、e position of P1 and P2Control the y direction position of P3Control the x direction position of P3Control the position of P4 and P5Control the y direction position of P6Fig.2Equivalent stress cloud diagram of the first disk of original compressorFig.4Schematic diagram of original and optimized teno
20、n推进技术2023 年第 44 卷 第 9 期2210107-4盘的低周疲劳寿命进行验证。榫槽模拟件设计要求如下:(1)模拟件的最大应力值与目标件相当;(2)模拟件最大应力附近的应力梯度与目标件相当。由于模拟件设计中只模拟了一个方向上的应力梯度,应力水平沿厚度方向认为无变化,而在实际榫槽部位,除沿着所模拟的应力梯度方向外,在其他各个方向上应力水平都有明显的下降,故可以保证模拟件低周疲劳寿命小于真实构件,保证试验结果对于工程应用的可靠性。设计优化前模拟件简图如图 6(a)所示,设计优化后模拟件简图如图 6(b)所示,优化前模拟件在峰值载荷下应力分布云图见图 7。优化后模拟件在峰值载荷下应力分布云
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