一种涡轮盘孔挤压强化工艺三维数值仿真模拟方法与流程

本发明是一种针对航空发动机镍基高温合金涡轮盘孔挤压强化工艺的三维数值仿真模拟方法，它是一种能够考虑轮盘孔挤压强化工艺过程中过盈量、芯棒前后端倒角以及芯棒速率等工艺参数以及涡轮盘材料等因素的模拟方法，属于航空航天发动机技术领域。

背景技术

涡轮盘作为航空发动机重要承力部件，服役环境中受高转速引起的离心载荷、热载荷以及振动载荷等共同作用，特别是压气机后几级盘和涡轮盘温度高、温差大，工作条件更为恶劣，因此，适航规章规定涡轮盘类构件为航空发动机“限寿件”，容许失效概率小于10^-8次/飞行小时。涡轮盘及盘环类零件通常由于螺栓连接、通气等功能需要开孔，孔结构引起严重的应力集中，极易诱发疲劳失效，多是涡轮盘的限寿部位。

对于涡轮盘孔结构，借助表面强化技术可以大幅提升其抗疲劳性能。目前镍基高温合金涡轮盘大量采用喷丸工艺进行表面强化，但用于孔结构存在残余应力场深度小、强化后表面粗糙度高、工艺参数难于准确控制、高温疲劳载荷下残余应力不稳定等问题，因而急需一种有效的涡轮盘孔结构表面强化工艺提高疲劳寿命。

孔挤压强化是一类接触型表面强化技术，利用一定过盈量的芯棒强行通过孔结构，产生可控的周向塑性形变，在孔结构表面引入残余压应力和组织强化效果。孔挤压工艺在产生很小的塑性变形量情况下，可实现孔边可控的深层、高残余压应力，而且能够在热和机械载荷下更加稳定地保持，因而适用于提高孔结构疲劳性能。

目前，针对孔挤压工艺的研究一般集中在对孔边残余应力场的分析及粗糙度的优化，以及不同挤压量对试件疲劳寿命的影响。其他挤压工艺参数(如芯棒前后端倒角、挤压速率等)对孔结构疲劳寿命的影响也十分明显，基于镍基高温合金材料的涡轮盘孔挤压工艺公开发表的文献还寥寥无几。

技术实现要素：

本发明技术解决方案：克服现有技术的不足，提供一种涡轮盘孔挤压强化工艺三维数值仿真模拟方法，最终建立能精确反映镍基高温合金涡轮盘孔挤压强化工艺的数值模型。

本发明技术解决方案：一种涡轮盘孔挤压强化工艺三维数值仿真模拟方法，考虑过盈量、芯棒前后端倒角以及芯棒速率等工艺参数，结合镍基高温合金涡轮盘结构材料，确定涡轮盘孔挤压强化工艺效果。主要包括：挤压强化过程的三维建模、建立孔挤压强化过程有限元模型、设定载荷及边界条件、求解分析及后处理几个部分。

本发明一种涡轮盘孔挤压强化工艺三维数值仿真模拟方法，包括以下步骤：

(1)挤压强化过程的三维建模：首先开展芯棒和中心圆孔平板的三维模型设计，根据真实镍基高温合金涡轮盘结构，设计中心圆孔平板和具有一定过盈量的芯棒尺寸形状，建立中心圆孔平板和芯棒的三维模型；

(2)建立孔挤压强化过程有限元模型：通过涡轮盘选取的材料性能试验或材料数据手册，获取涡轮盘结构的材料属性；完成对材料属性、参数的设定，采用三维六面体单元，划分有限元网格，在芯棒和孔壁接触区域进行网格细化；设置挤压过程芯棒与孔壁接触模式为面面接触；

(3)设定载荷及边界条件：定义芯棒运动的位移-时间载荷，模拟芯棒与中心圆孔平板的相对运动；在中心圆孔平板外边界施加全约束条件约束平板的六个自由度，在中心圆孔平板的挤出面约束芯棒运动方向的位移；

(4)求解分析及后处理：创建分析作业进行显示求解，获得残余应力场和位移变形分布。

所述步骤中，挤压强化过程为直接芯棒挤压过程，采用具有一定过盈量即工作段直径大于孔直径的芯棒，经充分润滑后从孔中强行通过的过程。

所述一定过盈量是芯棒工作段直径与被挤压孔直径的差占被挤压孔直径的百分比，所述过盈量公式如下：

i为过盈量，d为芯棒工作段直径，d为被挤压孔直径。

所述步骤中，划分有限元网格划分具体包括：采用三维六面体单元，在芯棒和孔壁接触区域进行网格细化。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明的涡轮盘孔挤压强化工艺三维数值仿真模拟方法，与传统挤压强化工艺三维数值仿真模拟方法相比，全面考虑了过盈量、芯棒前后端倒角以及芯棒速率等工艺参数，结合镍基高温合金轮盘结构材料，最终建立能精确反映镍基高温合金涡轮盘孔挤压强化工艺的数值模型。

附图说明

图1为本发明的涡轮盘孔挤压强化工艺三维数值仿真模拟方法流程图；

图2为涡轮盘孔挤压强化有限元模型图；

图3为镍基高温合金涡轮盘孔挤压强化等效残余应力云图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实现步骤如下：

(1)挤压强化过程的三维建模：首先开展芯棒和中心圆孔平板的三维模型设计，根据真实镍基高温合金涡轮盘结构，设计中心圆孔平板和具有一定过盈量的芯棒尺寸形状，建立中心圆孔平板和芯棒的三维模型。

(2)建立孔挤压强化过程有限元模型：通过涡轮盘选取的材料性能试验或材料数据手册，获取涡轮盘结构的材料属性；完成对材料属性、参数的设定，采用三维六面体单元，划分有限元网格，在芯棒和孔壁接触区域进行网格细化；设置挤压过程芯棒与孔壁接触模式为面面接触。

(3)设定载荷及边界条件：定义芯棒运动的位移-时间载荷，模拟芯棒与中心圆孔平板的相对运动；在中心圆孔平板外边界施加全约束条件约束平板的六个自由度，在中心圆孔平板的挤出面约束芯棒运动方向的位移。

(4)求解分析及后处理：创建分析作业进行显式求解，获得残余应力场和位移变形分布。

所述步骤中，过盈量是芯棒工作段直径与被挤压孔直径的差占被挤压孔直径的百分比，过盈量公式如下：

i为过盈量，d为芯棒工作段直径，d为被挤压孔直径。

下面结合附图，对本发明涡轮盘孔挤压强化工艺三维数值仿真模拟方法的技术方案做进一步说明。

考虑过盈量、芯棒前后端倒角以及芯棒速率等工艺参数，结合镍基高温合金涡轮盘结构材料，本发明提的涡轮盘孔挤压强化工艺三维数值仿真模拟方法，其流程见图1。

(1)挤压强化过程的三维建模：首先开展芯棒和中心圆孔平板的三维模型设计，根据真实镍基高温合金涡轮盘结构，设计中心圆孔平板和具有一定过盈量的芯棒尺寸形状，建立中心圆孔平板和芯棒的三维模型。

(2)建立孔挤压强化过程有限元模型：通过涡轮盘选取的材料性能试验或材料数据手册，获取涡轮盘结构的材料属性；在有限元分析软件ansys/ls-dyna的前处理模块中，生成数组定义材料应力-应变曲线的横纵轴，根据实际工况，完成对材料属性、参数的设定，采用三维六面体单元，划分有限元网格，在芯棒和孔壁接触区域进行网格细化，得到涡轮盘孔挤压强化有限元模型图如图2所示，芯棒和孔壁接触区域网格尺寸相近，并且网格尺寸比远离接触区域的网格更小；设置挤压过程芯棒与孔壁接触模式为面面接触。

(3)设定载荷及边界条件：在有限元分析软件ansys/ls-dyna的前处理模块中，生成2个数组定义位移-时间曲线的横纵轴，调用曲线定义芯棒运动的位移-时间载荷，模拟芯棒与中心圆孔平板的相对运动；在中心圆孔平板外边界施加全约束条件约束平板的六个自由度，在挤出面约束芯棒运动方向的位移。

(4)求解分析及后处理：创建分析作业进行显式计算，在有限元分析软件ansys/ls-dyna的后处理模块中，读取计算结果，获得残余应力场和位移变形分布，得到镍基高温合金涡轮盘孔挤压强化等效残余应力云图如图3所示，孔壁附近区域出现较大的等效残余应力。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。