王慶平 崔巍 劉坤

摘 要：綜述分析了當(dāng)前單晶渦輪葉片應(yīng)力計(jì)算分析的通用方法，從晶體的滑移機(jī)理出發(fā)，建立滑移粘塑性本構(gòu)模型，然后利用有限元軟件計(jì)算分析單晶葉片的應(yīng)力行為。針對某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的單晶渦輪葉片，基于上述方法，利用有限元計(jì)算軟件ANSYS，仿真分析了單晶葉片的應(yīng)力分布情況。

關(guān)鍵詞：單晶渦輪葉片;晶體滑移;應(yīng)力分析;有限元;航空發(fā)動(dòng)機(jī)

中圖分類號：V232.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）09-0145-03

0 引言

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)對推重比的要求不斷提高，對渦輪葉片的高溫性能提出了更加嚴(yán)苛的要求[1-2]。發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前進(jìn)口溫度從1200℃提高到1350℃，單位推力可提升約15%，耗油率可降低約8%，而溫度的提高必將導(dǎo)致葉片工作壽命的降低[3]。由于單晶渦輪葉片承載高溫能力好，組織穩(wěn)定且具有良好的綜合性能。因此，從20世紀(jì)80年代起，研制單晶渦輪葉片成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵突破技術(shù)之一，顯著推動(dòng)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步[4]。國內(nèi)外學(xué)者對單晶渦輪葉片的應(yīng)力分析方法開展了廣泛深入的研究。饒壽期，吳斌等人[5-6]，建立了橫觀各向同性的本構(gòu)模型，利用非線性有限元程序，對單晶葉片進(jìn)行了熱彈性分析，研究了單晶材料的工程常數(shù)對蠕變應(yīng)力、蠕變應(yīng)變和位移的影響;楊治國，尹澤勇等人[7]，從單晶變形機(jī)理出發(fā)，給出了彈塑性蠕變滑移的本構(gòu)模型，并用于某單晶渦輪葉片的彈塑性蠕變分析;李騁，尤德宣等人[8]，研究了單晶葉片DD6的高溫力學(xué)性能;胡仁高，卿華等人[9]，應(yīng)用正交各向異性Walker統(tǒng)一粘塑性本構(gòu)模型，將本構(gòu)方程導(dǎo)入有限元軟件中，對渦輪葉片進(jìn)行了熱粘塑性分析;孫萬超，陸山等人[10]，基于有限變形晶體滑移理論，推導(dǎo)了增量型本構(gòu)方程，利用ANSYS軟件，計(jì)算了鎳基單晶葉片DD3的力學(xué)性能;溫志勛，岳珠峰等人[11-12]，總結(jié)了近年來鎳基單晶渦輪冷卻葉片力學(xué)性能技術(shù)研究的進(jìn)展情況。

1 單晶渦輪葉片應(yīng)力分析方法

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者在分析單晶渦輪葉片的應(yīng)力行為時(shí)，大多是從晶體的滑移機(jī)理出發(fā)，建立晶體的滑移粘塑性本構(gòu)模型，然后利用有限元軟件仿真計(jì)算單晶渦輪葉片的應(yīng)力行為。這種方法現(xiàn)已基本成為單晶渦輪葉片應(yīng)力計(jì)算分析的通用方法。

晶體的變形過程可分為兩種不同的機(jī)理：晶格的彈性變形和連續(xù)的塑性滑移，如圖1所示。

從葉片的應(yīng)力分布云圖可以看出，燃?xì)鉁u輪二級工作葉片的最大應(yīng)力出現(xiàn)在葉身根部，葉盆中間位置，最大應(yīng)力值為574.6MPa。

從表2的計(jì)算結(jié)果可以看出，燃?xì)鉁u輪二級工作葉片各個(gè)截面的應(yīng)力值均低于DD6單晶材料在對應(yīng)工作溫度下的屈服強(qiáng)度值，至少有32.4%的強(qiáng)度裕度，滿足某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)度使用要求。

4 結(jié)論

本文綜合論述了單晶渦輪葉片應(yīng)力計(jì)算分析的多種方法?；诰w滑移機(jī)理，建立晶體滑移粘塑性本構(gòu)模型，最后利用有限元軟件仿真計(jì)算單晶渦輪葉片的應(yīng)力行為，已成為目前主流的分析方法。

基于此方法，本文利用有限元軟件ANSYS計(jì)算分析了某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪單晶工作葉片的應(yīng)力分布情況。計(jì)算結(jié)果表明，各個(gè)截面的應(yīng)力值均低于DD6單晶材料在對應(yīng)工作溫度下的屈服強(qiáng)度值，具有較大的裕度，滿足某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。本文的計(jì)算方法可為同類型單晶葉片的計(jì)算提供科學(xué)參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 關(guān)鵬，艾延廷，王志，等.渦輪導(dǎo)向葉片熱沖擊數(shù)值模擬研究[J].推進(jìn)技術(shù)，2016，37（10）：1938-1945.

[2] 關(guān)鵬，艾延廷，石小江，等.氣膜冷卻葉片熱沖擊分析網(wǎng)格生成技術(shù)[J].熱能動(dòng)力工程，2016（31）：25-31.

[3] 陶春虎，張衛(wèi)方，李運(yùn)菊，等.定向凝固和單晶高溫合金的再結(jié)晶[J].失效分析與預(yù)防，2006，1（4）：1-9.

[4] 李嘉榮，史振學(xué)，袁海龍，等.單晶高溫合金DD6拉伸性能各向異性[J].材料工程，2008（12）：6-10.

[5] 饒壽期，田愛梅，岳彥芳.定向結(jié)晶氣冷渦輪葉片應(yīng)力分析[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，1994，1（1）：92-94.

[6] 饒壽期，吳斌，孟春玲.單晶渦輪葉片的蠕變計(jì)算分析[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，1998（4）：30-33.

[7] 楊治國，成曉鳴，尹澤勇.單晶葉片應(yīng)力分析方法及應(yīng)用[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2001（4）：309-311+315.

[8] 李騁，尤德宣，蘇彬.單晶高溫合金DD6的高溫力學(xué)性能研究[C].中國航空學(xué)會(huì)第十屆航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)會(huì)議論文集，2000：84-87.

[9] 胡仁高，卿華.渦輪葉片的粘塑性分析[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2006（2）：18-21.

[10] 孫萬超，陸山.用于單晶葉片應(yīng)力分析的滑移本構(gòu)模型[J].推進(jìn)技術(shù)，2012，33（5）：754-759.

[11] 溫志勛，侯乃先，王佰智，等.鎳基單晶渦輪冷卻葉片力學(xué)性能表征技術(shù)研究新進(jìn)展[J].航空制造技術(shù)，2010（20）：26-29.

[12] 岳珠峰，虞跨海，溫志勛，等.渦輪單晶冷卻葉片綜合設(shè)計(jì)技術(shù)綜述[J].航空制造技術(shù)，2009（9）：34-37.

[13] Hutchinson J W，Wu T Y.Advances in Applied Mechanics V23[M].New York：Elsevier，1983.

[14] Peirce D，Asaro R I，Needleman A.Material Rate Dependence and Localized Deformation in Crystalline Solids[J].Acta Metallurgica，1983，31（12）：1951-1976.

[15] Peirce D，Shih C F，Needleman A.A Tangent Modulus Method for Rate Dependent Solids[J].Computers & Structures，1984，18（5）：875-887.