一种减少应力集中的方法与流程

本发明涉及改变应力集中领域，具体涉及一种减少应力集中的方法。

背景技术：

同一种材料构建的实心结构件，根据材料力学的基本原理，通常受载情况下最大应力都位于构件表面。对于叶轮机械，大多数构件的外型都由特定的功能所决定，比如气动流道中的叶片形状。而在持续负载工作下，最大应力点容易开裂，导致叶轮机械无法继续正常工作。因此为了提高叶轮机械的耐用性，就要在不改变叶型的前提下对叶片表面的应力分布进行改变。

基于上述情况，本发明提出了一种减少应力集中的方法，可有效解决以上问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种减少应力集中的方法。本发明的减少应力集中的方法，在不影响开缝件整体结构的前提下，减少开缝件的应力集中；在开缝件的应力集中处，直接设置有缝，即将原本的应力集中处挖去，有效的减少了开缝件的应力集中，提高了开缝件的耐用性。

本发明通过下述技术方案实现：

一种减少应力集中的方法，包括以下步骤：

步骤s1：对开缝件的工作过程进行分析，找到应力集中点所在的区域；

步骤s2：建立所述开缝件的三维模型，并使用doe技术分析出开缝的位置、角度、形状、大小、深度、切缝路径和边界处理等参数的最优解；

步骤s3：根据步骤s2中各个参数的最优解，在所述三维模型上开缝；

步骤s4：对步骤s3中开缝处理后的所述三维模型进行有限元分析，以定量分析该方法释放载荷减少应力的能力。

本发明的方法在不影响所述开缝件整体结构的前提下，减少所述开缝件的应力集中；在所述开缝件的应力集中处，直接设置有所述缝，即将原本的应力集中处挖去，有效的减少了所述开缝件的应力集中，提高了所述开缝件的耐用性。

优选的，在步骤s2中开缝位置确定方法如下：

在叶片窄边应力集中处选取一基准点，以所述基准点绘制一立方体作为参考，通过控制三个尺寸参数以控制所述开缝位置。

优选的，在步骤s2中开缝角度确定方法如下：

所述开缝角度建模时，采用“一点一线确定一个平面”的方法控制开缝起始面，方向线其中一点与开缝起始点重合，另一点由三个尺寸控制，再通过方向线和所述开缝起始点确定所述开缝起始面。

优选的，在步骤s2中开缝路径确定方法如下：

通过所述开缝起始面和所述开缝起始点确定所述开缝路径的所在路径面，并在所述路径面上绘制所述开缝路径。

优选的，在步骤s2中开缝形状确定方法如下：

通过所述开缝路径的样条线曲线值点创建至少2个平面，以绘制所述开缝形状。

优选的，在每个所述平面上绘制的所述开缝形状呈矩形，且在所述开缝形状的两边设有圆以及矩形与圆连接的过渡圆角。

优选的，在每个所述平面上绘制的所述开缝形状由圆弧构成。

优选的，在步骤s3中，根据步骤s2的各个参数在所述三维模型上设置缝，且在所述缝的尾部设置尾部处理缝；所述尾部处理缝由所述缝的所述开缝形状旋转而成，且尾部处理缝与缝的尾部的连接处平整。

优选的，开缝处理后的所述三维模型经过有限元分析且达标后，采用增材制造技术制造所述开缝件。

优选的，所述开缝件为涡轮机械叶片。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明的减少应力集中的方法，在不影响开缝件整体结构的前提下，减少开缝件的应力集中；在开缝件的应力集中处，直接设置有缝，即将原本的应力集中处挖去，有效的减少了开缝件的应力集中，提高了开缝件的耐用性；采用增材制造技术制造，可以保证开缝件的完整性，并且可以在开缝件上开出任意形状的缝。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中c处的局部放大结构示意图；

图3为本发明的俯视结构示意图；

图4为图3中a—a处的剖面结构示意图；

图5为图4中d处的局部放大结构示意图；

图6为图3中b—b处的剖面结构示意图；

图7为图6中e处的局部放大结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

实施例1：

如图1至7所示，一种减少应力集中的方法，包括以下步骤：

步骤s1：对开缝件1的工作过程进行分析，找到应力集中点所在的区域；

步骤s2：建立所述开缝件1的三维模型，并使用doe技术分析出开缝的位置、角度、形状、大小、深度、切缝路径和边界处理等参数的最优解；

步骤s3：根据步骤s2中各个参数的最优解，在所述三维模型上设置缝11；

步骤s4：对步骤s3中开缝处理后的所述三维模型进行有限元分析，以定量分析该方法释放载荷减少应力的能力。

本发明的方法在不影响所述开缝件1整体结构的前提下，减少所述开缝件1的应力集中；在所述开缝件1的应力集中处，直接设置有所述缝11，即将原本的应力集中处挖去，有效的减少了所述开缝件1的应力集中，提高了所述开缝件1的耐用性。

通过步骤s1可以直观的在所述开缝件1上找到应力集中的大致位置，确定应力集中所在的区域；在步骤s2中，对开缝的位置、角度、形状、大小、深度、切缝路径以及边界处理等参数采用doe技术分析，可以减少实验次数，缩短实验周期，分析实验误差的影响大小并提高实验精度，最终通过实验结果的分析、比较，找出最优化方案；步骤s4对步骤s3中开缝处理后的所述三维模型进行有限元分析，可以简单快速的看出在所述开缝件1上设置所述缝11对应力集中的影响，减少实验次数，缩短实验周期，降低实验成本。

进一步地，在另一个实施例中，在步骤s2中开缝位置确定方法如下：

在叶片窄边应力集中处选取一基准点，以所述基准点绘制一立方体作为参考，通过控制三个尺寸参数以控制所述开缝位置。

所述开缝位置是在空间草图中确定，可以更精准的确定最好的所述开缝位置。

进一步地，在另一个实施例中，在步骤s2中开缝角度确定方法如下：

所述开缝角度建模时，采用“一点一线确定一个平面”的方法控制开缝起始面，方向线其中一点与开缝起始点重合，另一点由三个尺寸控制，再通过方向线和所述开缝起始点确定所述开缝起始面。

所述开缝起始点在所述开缝起始面上，并且方向线与所述开缝起始面的夹角就是所述开缝角度。

进一步地，在另一个实施例中，在步骤s2中开缝路径确定方法如下：

通过所述开缝起始面和所述开缝起始点确定所述开缝路径的所在路径面，并在所述路径面上绘制所述开缝路径。

所述路径面通过方向线和所述开缝起始面确定，用于绘制所述开缝路径。

进一步地，在另一个实施例中，在步骤s2中开缝形状确定方法如下：

通过所述开缝路径的样条线曲线值点创建至少2个平面，以绘制所述开缝形状。

所述开缝路径选用样条曲线，保证所述开缝路径的转折处更加平滑自然，且样条曲线至少有两个样条曲线值点，故至少需要在两个片面绘制所述开缝形状；样条曲线值点越多，所述开缝路径就越精细，减少应力的效果就越好；所述平面用于绘制所述开缝形状，所述平面越多，绘制所述开缝形状也就越多，所述缝11的形状也就更精细，减少应力的效果就更好。

进一步地，在另一个实施例中，在每个所述平面上绘制的所述开缝形状呈矩形，且在所述开缝形状的两边设有圆以及矩形与圆连接的过渡圆角。

在所述开缝形状的两边设有圆以及矩形与圆连接的过渡圆角，可以避免应力集中，提高改变应力的效果。

进一步地，在另一个实施例中，在每个所述平面上绘制的所述开缝形状由圆弧构成。

直接采用圆弧，对应力的分散效果更好，更能减少应力集中。

进一步地，在另一个实施例中，在步骤s3中，根据步骤s2的各个参数在所述三维模型上设置所述缝11，且在所述缝11的尾部设置尾部处理缝12；所述尾部处理缝12由所述缝11的所述开缝形状旋转而成，且尾部处理缝12与缝11的尾部的连接处平整。

设置所述尾部处理缝12可以避免所述缝11尾部的应力集中，提高改变应力的效果。

进一步地，在另一个实施例中，开缝处理后的所述三维模型经过有限元分析且达标后，采用增材制造技术制造所述开缝件1。

采用增材制造技术制造，可以保证所述开缝件1的完整性，并且可以在所述开缝件1上开出任意形状的所述缝11。

进一步地，在另一个实施例中，所述开缝件1为涡轮机械叶片。

涡轮机械叶片的应力集中点在进气或出气尾缘根部，非常容易被破坏。

针对涡轮机械叶片，断开方式采用顺着开缝件1的运动方向以垂直于表面的法线方向呈倾角30到60度开缝11，且缝11呈阶梯状延伸；缝11沿表面与原表面最大主应力呈90度；缝11的开缝位置安排在造成最大主应力的载荷端并在最大主应力所指方向，根据应力梯度(即应力集中)的大小安排在50％-70％应力变化范围处；延伸缝11的方向和形状，以及大小可以根据其对周围应力分布的影响进行调整。

在涡轮机械叶片上开设所述缝11后，减少了涡轮机械叶片上的应力集中，涡轮机械叶片的耐用性得到了极大的提升，使用寿命提高了180～200％。

依据本发明的描述及附图，本领域技术人员很容易制造或使用本发明的减少应力集中的方法，并且能够产生本发明所记载的积极效果。

如无特殊说明，本发明中，若有术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此本发明中描述方位或位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以结合附图，并根据具体情况理解上述术语的具体含义。

除非另有明确的规定和限定，本发明中，若有术语“设置”、“相连”及“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。