一种涡轮叶片单向气热固耦合应力分析方法

本发明涉及涡轮叶片应力分析，是一种涡轮叶片单向气热固耦合应力分析方法。

背景技术：

1、对于多场耦合发展历史可以追溯到上个世纪初，人们在航空领域最先遇到的多场耦合问题为气动弹性问题，飞行先驱langley于1903年进行飞行试验中机翼断裂，人们认识到这起事故是由气动弹性静力学中的扭转发散引起，但并没有开展气动弹性颤振的研究，对于有目的的气动弹性颤振研究是由于一战初期handleypage轰炸机的坠落，人们认识到气动弹性颤振的重要性。而有目的气动弹性研究直到二十年代才开始。

2、30年代航空工业得到了迅猛发展，飞机飞行速度开始接近音速，出现了大量的气动弹性问题，这就要求从事航空事业的国家都必须投入大量的财力、物力开展研究工作以解决该问题。“气动弹性力学”这个概念就是在这个时期最先由从事航空研究人员中形成，并逐渐发展成为一门独立的科学分支。40年代以前对气动弹性力学的研究，只局限于以飞机为主的航空领域内。1940年发生了气动弹性力学是上最著名的事件tacoma桥在很低的风速下发生气动弹性振动而发生坍塌。突破了气动弹性力学的研究范围的限制，并首次在在航空领域以外受到重视。

3、随着航空技术的不断发展，在50年代以飞机为代表的飞行器飞行速度进了超音速范围。小展弦比后掠机翼和三角形机翼也越来越成为气动弹性研究的主要对象。这就要求工程设计人员必须研究全新的颤振分析原理和解法。这时电子计算机的出现以及计算数学的发展为气动弹性力学的求解注入了新的活力。随着航空技术的进一步发展飞行器飞行速度进入了超音速范围，首次出现了气动热弹性的问题。当高速空气流经过飞行器表面，由于气体粘性的阻滞作用，飞行器表面温度有明显的升高，气动加热问题成为飞行器气动和结构设计必须考虑的一个问题，也就是热障问题。eckert等研究了等腰三角形、长方形截面的通道中壁面内周向导热对通道内紊流换热的影响，代表了耦合换热的早期研究。

4、60年代热障成了制约航空工业发展的主要障碍，研究人员开始较为广泛的关注这一问题以求突破，因此热防护技术成为气动热力学研究的热点课题。人们从理论和工程实际应用两个方面对这些问题进行研究，使得烧蚀热防护理论得到完善，它集气体动力学、物理化学、传热学、固体力学于一体，所以很快解决了热障问题。也就在这个时期，“耦合问题”(conjugated)作为传热学的一个重要分支被正式提出。

5、在70年代，由于再入卫星和载人飞船研制工作的进展以及发动机热结构设计需求，气体-热-结构的三位一体化问题成为气动热力学新的研究内容。由于受到当时计算机、及计算方法以及设计方法的相对落后的限制，人们只能将气动加热、烧蚀和热结构分别处理。也就在这一时期叶轮机械的流固耦合问题受到了学术界的广泛重视。

6、到了80年代，以航天飞机为代表的高技术，向气动热力学提出了更深入的问题，其中包括分离流的传热特性，多层结构包括中间有空间层的热传导等。一些试验表明热变形对热流有较大的影响，证明了气动余热变化存在着耦合关系，从而强化了研究人员的观念，气动热力学必须解决气体-热-结构的一体化问题。为了将流体的流动、传热和能量转换作为耦合的整体行为来研究，推动国际协作应用研究。气体、热、结构的一体化问题十分依赖于计算流体力学的成就，而它比计算流体力学更加复杂也更加困难。直到计算流体力学在80年代取得划时代进展以后，以研究气体-热-结构的一体化问题为主的计算气动热力学方得以起步，出现了计算气动热力学一词。

7、进入90年代，随着计算机技术的发展，计算机硬件成本迅速下降，计算机速度不断提高，计算手段也得到很大的发展；另外随着互联网的出现，学术交流日益频繁，学术信息的传播日趋加快，各学科相互渗透逐步走进大科学时代。一种新的数值分析方法(computeraided engineering)，它是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法，在工程设计中的作用受到了普遍的重视，与之相应，多场耦合问题逐渐成为工程设计中越来越重要的问题。多学科耦合设计和多学科耦合优化越来越吸引工程设计人员的关注。

8、20世纪90年代末本世纪初，计算机水平大幅度的提高，大型并行计算的出现并被广泛的应用到工业设计和学术研究中来，同时作为计算工具的计算数学的水平也有很大程度的提高和发展，产品更新的周期不断的缩短，产品的性能和质量不断的提高。而使用者对产品的要求不断的提高，多学科耦合优化已经不再是一个陌生的概念，每一个学科以及其分支在设计过程中不在单独进行，必须考虑与其他学科的耦合匹配问题，要求在各个参数保持一定水平的基础上，关键参数和关键的性能指标达到最优状态。多学科耦合设计正在逐渐的成为一种新的设计手段和方法，同时多学科优化设计引起了工程设计人员和学术研究人员的更加广泛的关注。

9、在使用中，由于使用环境恶劣，燃气轮机的热部件，特别是燃气轮机的动叶，必须承受高离心负荷、气动冲击负荷和高温热负荷的联合作用。因此，当未达到预期的等效运行时间时，往往会出现过早失效的问题。燃气轮机叶片的过早失效给燃气轮机机组的安全有效运行带来了巨大的隐患。此外，部件故障引起的计划外停机和部件更换引起的高成本对燃气轮机的服役经济性有很大的影响。涡轮叶片失效的原因非常复杂，如设计原因(冷却结构、冷却气流等)、材料问题(基板及涂层成分、加工工艺等)、机组运行问题(运行温度、速度、模式等)等。然而，许多运行实践和分析表明，涡轮叶片等热通道部件的失效与使用过程中温度场不均匀和局部热应力高有关。因此，研究并准确预测燃气轮机叶片在使用过程中不均匀的温度场及由此产生的热应力，对于揭示叶片过早失效的原因，及时预防和控制叶片的初始损伤具有重要意义。

10、为了降低陶瓷涂层高温合金涡轮冷却叶片的热应力，nekahietal.和vaferietal.提出了一种采用超高温陶瓷(uhtc)二硼化物肽和二硼化物作为涡轮静叶替代材料的方案。利用comsolmultiphysics软件对陶瓷基涡轮一级叶片的温度和热应力进行了数值模拟。结合库仑-莫尔和冯-米塞斯理论，表明uhtc可以用于涡轮叶片的制造。javadkhalesi等人采用一种改进的共轭传热(cht)方法分析了一级涡轮叶片的结构和热应力。结果表明，采用与温度相关的材料获得的最小应力值比采用与温度无关的材料获得的最小应力值要高，用该方法预测涡轮叶片的寿命更准确。ziaei-asletal.通过忽略气膜冷却结构，研究了热障涂层厚度对叶片温度和应力分布的影响，指出由于温度梯度和冷却通道的几何形状，在冷却通道旁边的叶片根部附近会出现较大的应力，靠近叶尖的压力侧局部区域最容易产生裂纹形核。rezazadeh等人采用一维网络cht方法计算温度分布，采用三维有限元方法(fem)研究燃气轮机叶片寿命。研究发现，叶片的最高温度点位于叶片前缘高度的70％，叶片的疲劳失效风险点(最大等效应力)位于叶片的杉木区。此外，降低燃气轮机的稳定运行负荷可以有效延长涡轮叶片的寿命。brandaoetal.使用fem方法对高压涡轮叶片的弹塑性和蠕变行为进行分析，指出在进行力学分析之前，通过热分析可以得到更精确的结果。同时，随着变形逐渐累积，叶片尾缘最终会失效。

11、根据ge的经验，热分析结果的准确性对发动机和燃气轮机热部件的强度和寿命估计有很大的影响。温度场边界条件的不正确是热分析不准确的主要原因之一。显然，上述研究中采用的耦合传热方法难以为涡轮叶片强度和寿命计算提供精确的温度边界条件。热-流-固耦合方法可以很好地解决这一问题。

12、sierra等考虑外部主流气流和内部冷空气气流的影响，采用热流固法分析了涡轮叶片的温度分布和热应力分布。研究发现，金属叶片表面的热应力与换热之间存在着很强的相关性。仿真结果与实验数据吻合较好。bolainaetal.在保持主流气流状态的情况下，采用热-流-固耦合方法研究了改变冷却气流对燃气轮机叶片热-机械应力的影响。需要指出的是，叶片前缘的应力集中是由高温引起的，而叶片端壁区域的高应力集中是由叶片的旋转引起的。kim等人采用热-流-固耦合方法研究了涡轮叶片表面的传热系数和热应力分布。值得注意的是，由于来流气流的冲击，前缘驻点处的换热系数最高，而由于热边界层的发展，压力侧和吸力侧的尾缘处的换热系数最低。同样，在跨中附近的后缘也出现了最高温度和热应力。仝福娟采用流固耦合方法模拟了不同工况下涡轮叶片的稳态温度场和应力场。结果表明，由温度梯度引起的热应力是涡轮叶片耦合应力的主要来源，而离心应力的贡献较小。此外，叶尖尾缘处的耦合应力最高，叶片跨中处的耦合应力最低。朱伟采用同样的方法研究了简化涡轮冷却叶片的耦合换热特性。结果表明，涡轮叶片表面温度分布极不均匀，温差高达210k。在叶片厚度方向上，叶片前缘和尾缘的温度梯度远大于吸力和压力侧的温度梯度，最大主应力位于前缘和尾缘附近的吸力和压力面。chung等人提出了一个燃气轮机发电的热结构分析。结果表明:不规则的温度分布导致叶片段(包括叶冠和轮毂)的热膨胀呈各向异性，且各向异性热膨胀导致前后缘应力集中。

13、殷依依等采用热-流-固耦合方法分析了简化涡轮冷却叶片的温度场和应力场。值得注意的是，采用内外流动耦合传热分析方法计算的叶片温度场精度高于传统解耦方法计算的精度，有效控制了热应力计算误差。王湛使用了类似的方法来研究涡轮叶片的气膜冷却特性。发现叶片的高温区主要由前缘膜孔、靠近吸力面的上端壁面和叶片尾缘组成。高应力区主要位于叶片根部附近、膜孔附近和内射流冲击孔周边。肖立伟采用热-流-固耦合方法对燃气轮机二级动叶的流场、温度场和应力分布进行了计算分析。指出叶片的高应力区主要集中在榫头位置；叶片和端壁的应力较小，热负荷对膜孔和尾缘等温度梯度较大的区域的应力分布有明显影响。谢永慧在简化蛇形冷却通道结构和叶尖冷却结构的基础上，采用类似的方法模拟了高压涡轮叶片的温度场和应力-应变场。结果表明，tbc可以使基体金属的温度和应力分布更加均匀，高热应变集中在尾缘底部、前缘顶部和底部。朱江江对某型船用燃气轮机叶片进行了紧急上升载荷下不同应力应变的三维热-流-固耦合数值分析。研究表明，平台附近的高应力点主要是由温度变化引起的热应力产生的，而杉木区附近的高等效应力是由热应力和离心力耦合产生的。

14、由以上文献可以发现，与直接给出热边界条件的cht方法相比，热-流-固耦合方法可以更精确地得到涡轮叶片表面的热负荷，得到更精确的温度场和热应力场。采用热-流-固耦合方法对某型燃气涡轮叶片的温度场和热应力场进行了模拟分析，得到了不同条件下的温度场和应力场分布结果。然而，文献中使用的模型大多是简化的叶片模型，缺乏实际的涡轮叶片设计数据和运行服役数据作为有效的边界条件参数。同时，叶片冷却结构和tbc涂层厚度对使用工况下燃气轮机转子叶片局部烧蚀和热应力损伤的影响机理尚不清楚。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种涡轮叶片单向气热固耦合应力分析方法。

2、本发明提供了一种涡轮叶片单向气热固耦合应力分析方法，本发明提供了以下技术方案：

3、一种涡轮叶片单向气热固耦合应力分析方法，包括以下步骤：

4、步骤1、确定涡轮叶片在工作过程中的载荷，包括离心载荷、温度载荷和压力载荷，并添加约束；

5、步骤2、在温度场计算过程中，进行单元类型选择，选择后进行温度场插值处理；

6、步骤3、计算单独旋转离心载荷，进行应力分析。

7、优选地，所述步骤1中离心载荷计算过程具体为：

8、离心载荷在燃气轮机工作过程中，涡轮转子叶片高速旋转，所产生的离心力是最主要的载荷，对于叶片离心力的计算，任取叶片内一体积单元v，则该体积单元承受的离心力为：

9、f＝ρrω2v0#(13)

10、其中，ρ是叶片材料的密度，r是体积单元到转动轴的半径，ω叶片转动角速度，v0计算单元体积；涡轮叶片离心载荷是通过给计算模型施加一个绕轮盘轴线的转速来进行加载的，旋转轴为叶片的中心轴，叶片转速为7920rev/min。

11、优选地，所述步骤1中温度载荷计算过程具体为：

12、温度载荷是涡轮叶片在高温、高压的燃气环境下工作，叶片的热应力对叶片强度及疲劳寿命的影响不容忽略，计算叶片在工作过程中的温度载荷是涡轮叶片强度分析的前提条件，得到叶片不同坐标点处的温度场后，可得有限元计算模型中各节点温度，进而计算得到叶片的温度载荷；

13、从cfx计算的结果文件中提取表面节点温度，由于流体网格相对较密，所以通过程序在流固交界面两端的流体网格和固体网格进行插值，将温度分布通过workbench自带的插值程序读取到结构场计算所用的网格，即可将计算所需温度边界添加到结构场。

14、优选地，所述步骤1中压力载荷计算过程具体为：

15、压力载荷是涡轮叶片在真实的工作环境中，受到很高的压力载荷，计算用的压力场文件来自cfd计算和内腔计算，最后通过workbench自带的apdl语言将节点的压力数据加载到叶片外部表面和内部流道表面。

16、优选地，所述步骤1添加约束具体为：

17、施加单点轴向约束，对于动叶模型在网格模型上施加旋转角速度的离心载荷，再加上之前添加在节点上的温度载荷和压力载荷，约束添加方式为在动叶榫齿的接触表面添加法向位移约束边界，用于模拟叶片工作过程中榫槽给予的接触表面法向压力和约束，同时，在榫头前端面设置轴向位移约束，用以模拟挡环对于叶片的位移约束作用。

18、优选地，所述步骤2具体为：

19、单元类型选择：

20、温度场计算中选用具有导热能力的solid70三维实体热单元，该单元有8个节点，每个节点只有一个温度自由度，温度场计算完成后，输出“tempfile.txt”文件，里面包含温度场的最高温度，最低温度和所有温度节点的平均温度；

21、结构场网格导入后，直接读入温度场插值得到的温度结果即可完成温度负荷的加载；

22、温度场插值：

23、在static structural中进行温度插值，将cfd计算的温度结果插值到结构计算所需网格上作为温度边界，计算得到各截面温度分布。

24、优选地，所述步骤3具体为：

25、单独旋转离心载荷，对有限元模型单独加载离心载荷，转速7920rev/min，计算得到的等效应力云图，最大等效应力值出现在压力面尾缘叶根部位，数值为220mpa，叶片上应力分布呈现由叶顶向叶根方向逐渐增大。

26、一种涡轮叶片单向气热固耦合应力分析系统，所述系统包括：

27、载荷计算模块，所述载荷计算模块确定涡轮叶片在工作过程中的载荷，包括离心载荷、温度载荷和压力载荷，并添加约束；

28、温度场计算模块，所述温度场计算模块在温度场计算过程中，进行单元类型选择，选择后进行温度场插值处理；

29、应力分析模块，所述应力分析模块计算单独旋转离心载荷，并进行应力分析。

30、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现一种涡轮叶片单向气热固耦合应力分析方法。

31、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现一种涡轮叶片单向气热固耦合应力分析方法。

32、本发明具有以下有益效果：

33、本发明与现有技术相比：

34、本发明在透平叶片低应力多物理场耦合作用机理与匹配设计方法的气热弹计算属于稳态多物理场耦合研究，非稳态传热导致热应力的周期性变化，会导致叶片的疲劳损伤和蠕变损坏，需要在实现了非稳态的传热计算的基础上，在热应力计算中加入非稳态模块，来模拟热应力随时间的变化。因此在以后的工作中会对非稳态气热弹耦合进行研究，进一步完善透平叶片低应力多物理场耦合作用机理与匹配设计方法，从而更真实地预测叶片的寿命和安全可靠性。

35、本发明以重型燃气轮机实际运行参数和涡轮叶片材料特性为边界条件，考虑转子入口参数沿径向的不均匀性等因素，在燃气轮机叶片热-流-固耦合模拟中，考虑了冷却空气混合引起的工作流体物理性质和气体成分的变化。在获得涡轮叶片内外流场和温度场后，对涡轮叶片模型进行结构有限元分析，得到涡轮叶片在使用条件下的热应力分布。