[发明专利]一种涡轮榫接结构抗微动疲劳损伤优化方法

说明书

本发明公开了一种涡轮榫接结构抗微动疲劳损伤优化方法，所述涡轮榫接结构包括相互啮合的涡轮榫头和涡轮榫槽。本发明通过对航空发动机涡轮枞树形榫连接结构进行简化，建立单齿榫接结构参数化有限元模型；对单齿榫接结构形状尺寸进行敏度分析，确定对微动疲劳寿命影响最大的几个参数；以这些参数为设计变量，以微动疲劳寿命为目标函数，采用多岛遗传优化算法，设计出最优尺寸。本发明能够让涡轮榫接结构微动疲劳寿命提升，为航空发动机涡轮榫头与榫槽的结构设计提供参考。

技术领域

本发明涉及航空发动机涡轮榫接结构设计领域，尤其涉及一种涡轮榫接结构抗微动疲劳损伤优化方法。

背景技术

微动疲劳是指在循环载荷作用下，两个相互接触的表面之间具有接触载荷，并同时发生微小相对滑动而产生复杂磨损作用，使结构的疲劳寿命明显降低，加速失效破坏过程的物理现象。

在航空发动机上，有高达20％的故障是由榫连接结构失效破坏导致的，而微动疲劳是榫连接结构失效破坏的主要原因之一。由于微动是构件在实际应用中不可避免的，而微动疲劳的损害又是不易察觉的，其后果极其严重，所以微动疲劳的问题既具有普遍性和隐蔽性，同时又是致命性的。

在上述背景下，对榫连接结构进行优化设计以提高其使用寿命显得尤为重要。在传统的涡轮榫连接结构设计中，通常只关注应力大小，没有考虑到微动损伤的作用，本优化方法以提高微动疲劳寿命为目标，对涡轮榫接结构进行改进，可以极大地延长其使用寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种涡轮榫接结构的优化方法，提高结构的微动疲劳寿命。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种涡轮榫接结构抗微动疲劳优化方法，所述涡轮榫接结构包括相互啮合的涡轮榫头和涡轮榫槽，其特征在于，包含如下步骤：

步骤1)，对涡轮榫接结构形状尺寸进行分析，得到以下独立参数建立涡轮榫接结构参数化有限元模型：涡轮榫头和涡轮榫槽的顶角wedge_angle、涡轮榫头榫齿倾角chamfer_angle、涡轮榫头底面至颈部的高度H、涡轮榫头T线位置至颈部的高度H1、涡轮榫头的榫齿高度H3、涡轮榫头在其T线位置处的宽度W1、涡轮榫头接触面和涡轮榫头颈部竖直线之间的过渡圆角R_r1、涡轮榫头接触面下端的过渡圆角R_r2、涡轮榫头底面两端的过渡圆角R_r3、涡轮榫槽上端面和靠近接触面的竖直线之间的过渡圆角G_r0、涡轮榫槽接触过渡圆角G_r1、涡轮榫头底面和涡轮榫槽底面之间的距离h；

步骤2)，对各个独立参数进行灵敏度分析，确定它们对于微动疲劳寿命的影响程度；

步骤3)，选定对微动疲劳寿命影响最为显著的5个参数为优化设计变量，以微动疲劳寿命为优化目标，以最大拉应力不超过许用拉应力、最大等效应力不超过许用等效应力、最大剪应力不超过许用剪应力、最大挤压应力不超过许用挤压应力为约束条件，利用多岛遗传优化算法和基于临界平面法的微动疲劳寿命预测模型进行优化计算；

步骤4)，进行结果校核，确定微动疲劳寿命最长时的结构尺寸。

作为本发明一种涡轮榫接结构抗微动损伤优化方法进一步的优化步骤，所述步骤3)中优化算法的迭代次数不少于100次。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

1.在满足强度要求的前提下，提高了涡轮榫接结构的微动疲劳寿命，从而降低了航空发动机维修成本；

2.以单齿模型模拟涡轮枞树形双齿或三齿榫接结构的应力分布和滑移幅值分布，极大地提高了优化计算效率。

附图说明

图1是涡轮榫接结构优化设计流程图；

图2是独立参数几何关系图；

图3是灵敏度分析的Pareto图；