單晶渦輪葉片的應力分析方法研究

王慶平 崔巍 劉坤

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

關鍵詞：單晶渦輪葉片;晶體滑移;應力分析;有限元;航空發動機

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

0 引言

現代航空發動機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苛的要求[1-2]。發動機渦輪前進口溫度從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，組織穩定且具有良好的綜合性能。因此，從20世紀80年代起，研制單晶渦輪葉片成為航空發動機的關鍵突破技術之一，顯著推動了航空發動機技術的進步[4]。國內外學者對單晶渦輪葉片的應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模型，利用非線性有限元程序，對單晶葉片進行了熱彈性分析，研究了單晶材料的工程常數對蠕變應力、蠕變應變和位移的影響;楊治國，尹澤勇等人[7]，從單晶變形機理出發，給出了彈塑性蠕變滑移的本構模型，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的高溫力學性能;胡仁高，卿華等人[9]，應用正交各向異性Walker統一粘塑性本構模型，將本構方程導入有限元軟件中，對渦輪葉片進行了熱粘塑性分析;孫萬超，陸山等人[10]，基于有限變形晶體滑移理論，推導了增量型本構方程，利用ANSYS軟件，計算了鎳基單晶葉片DD3的力學性能;溫志勛，岳珠峰等人[11-12]，總結了近年來鎳基單晶渦輪冷卻葉片力學性能技術研究的進展情況。

1 單晶渦輪葉片應力分析方法

綜上所述，國內外學者在分析單晶渦輪葉片的應力行為時，大多是從晶體的滑移機理出發，建立晶體的滑移粘塑性本構模型，然后利用有限元軟件仿真計算單晶渦輪葉片的應力行為。這種方法現已基本成為單晶渦輪葉片應力計算分析的通用方法。

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

從葉片的應力分布云圖可以看出，燃氣渦輪二級工作葉片的最大應力出現在葉身根部，葉盆中間位置，最大應力值為574.6MPa。

從表2的計算結果可以看出，燃氣渦輪二級工作葉片各個截面的應力值均低于DD6單晶材料在對應工作溫度下的屈服強度值，至少有32.4%的強度裕度，滿足某型渦軸發動機的強度使用要求。

4 結論

本文綜合論述了單晶渦輪葉片應力計算分析的多種方法?；诰w滑移機理，建立晶體滑移粘塑性本構模型，最后利用有限元軟件仿真計算單晶渦輪葉片的應力行為，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計算分析了某渦軸發動機燃氣渦輪單晶工作葉片的應力分布情況。計算結果表明，各個截面的應力值均低于DD6單晶材料在對應工作溫度下的屈服強度值，具有較大的裕度，滿足某型渦軸發動機的使用要求。本文的計算方法可為同類型單晶葉片的計算提供科學參考。

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