高速叶轮机械离心力失效分析UMAT技术

在高端能源动力领域，叶轮机械是心脏中的心脏，它们承担着能量转换的重任，没有他们就没有大飞机的航空发动机，也没有我们055大驱燃气轮机。尤其在能源领域，火力发电所使用的汽轮机，压缩空气储能系统的膨胀机都是的大尺寸的高速叶轮机组，负责几百兆瓦的能量输出。

 大尺寸叶轮机组

 舰载燃气轮机[1]

 

欲戴王冠，必承其重。作为如此大的能量转换载体，如果自身的刚度强度不够，是无法承担这一重任的。

大尺寸高速叶轮机组，尤其是末级叶片的尺寸长，往往还存在叶冠，这使得高速旋转工况下叶片受到离心力较大，长期工作存在断裂的风险。

末级叶片模型[2]

大尺寸叶片的高速旋转破坏试验，受限于设备和尺寸，一般难以开展。因此仿真成了评估叶片结构安全的首选。

仿真思路

目前，对于末叶片的失效分析一般采用强度校核方法，即通过仿真得到模型中的最大应力，然后根据材料的屈服或极限强度来完成强度校核。然而由于末叶片中叶片与叶根的过渡区域、叶片与叶冠之间的过渡区域、相邻叶冠之间的接触区域等位置结构复杂，经过网格离散处理后均会存在一定的应力集中，会在局部单元出现“假性”的大应力结果，严重影响校核结果的真实性。

针对上述问题，笔者引入渐进损伤的方法研究末级叶片的失效。

(1) 将结构的总外载荷分为n级进行逐级加载；

(2) 每级加载完成后，基于失效判据对所有单元进行校核。如果单元发生破坏，将该单元材料性能折减为一个小值；

(3) 继续加载，当失效单元达到一定数量时，结构不具备继续承载的能力，此时仿真结果发散或载荷-位移曲线出现明显突变，表明结构失效。

将渐进损伤方法与叶片材料弹塑性本构相结合，在ABAQUS UMAT子程序中进行材料本构的定义，UMAT子程序[2]逻辑如下图所示。

本构模型

对于金属材料，我们需要在本构模型中考虑弹塑性、渐进失效行为。

采用各向同性硬化弹塑性模型来模拟材料的弹塑性行为，具体使用的J-C（Johnson-Cook）屈服模型。

采用2个判据进行单元失效判断，满足其中一个判据即认为单元失效：（1）应力判据，当应力大于材料破坏应力时，认为单元失效；（2）应变判据，当应变大于材料极限应变时，认为单元失效。

在完成结构仿真后，通过后处理采用如下判据进行结构失效判断，最终失效载荷应取3种原则所得数据的保守值：（1）失效单元数量突增；（2）载荷位移曲线出现明显拐点；（3）失效引起仿真迭代发散。

结果

统计了失效单元变化趋势与以及载荷位移曲线拐点，取保守的载荷位移曲线拐点作为失效点。

 后处理统计[2]

失效区域预测如下，失效部位主要集中在根部区域。对照国外类似构型的试验，失效区域位置的预测还是比较准的。

仿真的失效区域[2]

国外试验[3]

[1] https://k.sina.cn/article_5501440086_147e95056001013yb3.html

[2] 《压缩空气储能系统膨胀机末级叶片特殊边界处理与失效分析》

[3] Corrosion-Fatigue Failure of Gas-Turbine Blades in an Oil and Gas Production Plant

 

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