[发明专利]一种考虑曲面形状的涡轮榫槽激光冲击强化数值模拟方法

说明书

本发明涉及一种考虑曲面形状的涡轮榫槽激光冲击强化数值模拟方法，步骤为：(1)根据榫槽结构对称性建立半榫槽模型，并利用高应变率本构模型赋予结构弹塑性材料属性；(2)对榫槽模型进行网格划分，并针对激光冲击区域进行局部网格加密；(3)基于有限元网格进行曲面离散，将曲面近似成小平面集合，并计算平面中心点及法向；(4)考虑实际工艺情况，编写子程序定义激光峰值压力、脉冲宽度、光斑尺寸、搭接率、激光法向、冲击路径，对离散后的平面进行冲击压力计算；(5)基于ABAQUS软件进行动态分析和静态回弹求解，获取榫槽结构激光冲击强化之后的残余应力场。

技术领域

本发明是一种考虑曲面形状的涡轮榫槽激光冲击强化数值模拟方法，它是一种能够高效准确模拟出涡轮榫槽结构激光冲击强化效果的方法，属于航空航天发动机技术领域。

背景技术

激光冲击强化技术是目前航空工业应用较多的一种表面强化技术，利用大功率激光器产生高能激光，将覆盖在材料表面的吸收层在短时间内气化、电离，形成高温高压的等离子体。随后等离子体膨胀，产生GPa量级压力，诱发材料产生塑性形变，形成一定深度的残余压应力层，从而达到对金属材料表面进行改性的目的。航空发动机涡轮榫接部位连接涡轮叶片与涡轮盘，工作时不仅要承受涡轮盘的离心载荷和热载荷，还要承受叶片部位的离心载荷、气动载荷和热应力等，极易产生疲劳裂纹，因此激光冲击强化在涡轮榫槽上的应用具有极大的工程价值。目前针对激光冲击强化的研究仍以试验为主，激光冲击强化数值模拟的研究主要针对平板结构，而对于涡轮榫槽这类几何特征复杂、曲面特征明显结构的数值模拟，直接简化成平面板结构进行计算会造成较大的误差，难以有效模拟涡轮榫接的激光冲击强化过程。

目前关于涡轮榫槽激光冲击强化的研究基本以试验为主，缺少考虑曲面形状影响的涡轮榫槽激光冲击强化数值模拟方法。

发明内容

本发明技术解决方案：克服现有技术的不足，提供一种考虑曲面形状的涡轮榫槽激光冲击强化数值模拟方法，相比于平面，曲面激光冲击强化的主要区别在于作用区域更为复杂，冲击力大小、方向随曲面位置变化而改变，因此对曲面结构进行离散，分别加载压力，是解决涡轮榫槽结构激光冲击强化模拟的有效思路，有效反映涡轮榫槽激光冲击强化后残余应力场分布，服务与支撑激光冲击强化在涡轮榫槽部位的应用与后续疲劳寿命评估。

本发明技术解决方案：一种考虑曲面形状的涡轮榫槽激光冲击强化数值模拟方法，以离散的思想，基于有限元网格完成曲面离散，并结合VDLOAD子程序实现曲面激光冲击强化的压力计算与加载，获得了榫槽激光冲击强化后的残余应力场，实现步骤如下：

第一步，根据榫槽模型对称性建立半榫槽模型，并利用高应变率本构模型赋予结构弹塑性材料属性。真实涡轮盘榫槽结构在涡轮盘上分布呈周期性对称，同时单一榫槽结构具有平面对称的特性，因此涡轮榫槽的激光冲击强化模拟仅需要针对半榫槽结构进行。在UG等建模软件中对半榫槽结构进行建模，导入ABAQUS中，并赋予能够反映高应变率下应力应变关系的J-C本构模型，其表达式如下：

式中，其中σ_eq为流动应力，A、B、n为反映材料应变硬化特征的参数，m反映了材料的温度软化效应，C反映了应变率的影响，ε_eq为应变，ε/ε₀为无量纲应变率，T^*为无量纲温度。

由于激光冲击强化为冷加工技术，过程中材料温度变化程度极小，因此可忽略温度项的影响，将模型简化为：

第二步，针对建立的半榫槽模型进行网格划分：针对整体模型直接布种、分网，建立基础粗糙网格；针对激光冲击区域，为保证有限元模拟过程中对高压力、动态加载的求解精度，在冲击表面及一定深度的区域进行网格加密，建立精细网格。