镍基单晶涡轮叶片弹塑性应力晶体取向优化-论文.pdf

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1、镍基单晶涡轮叶片弹塑性应力晶体取向优化／郝红利等·379·镍基单晶涡轮叶片弹塑性应力晶体取向优化郝红利，王明贞，胡宗纯，王宏涛(第二炮兵工程大学士官学院，青州262500)摘要对镍基单晶涡轮叶片的晶体取向进行弹塑性优化分析，结果显示叶片考核点的应力应变为晶体取向的函数。通过对晶体取向的优化，对给定叶片考核点的等效应力最多可下降约8。单晶叶片应力应变与晶体取向相关，充分利用晶体取向对单晶叶片力学性能的影响，合理控制晶体铸造取向，能够较大地提高单晶涡轮叶片力学性能。通过控制晶体的生长方向可以降低涡轮叶片关键部位的应力和

2、应变，延长其使用寿命。关键词镍基单晶合金优化分析正交各向异性晶体取向涡轮叶片弹塑性中图分类号：V231．95；0346．2文献标识码：ACrystalOrientationOptimizationforElastoplasticStressofNickel—baseSingleCrystalTurbineBladeHA0Hongli，WANGMingzhen，HUZongchun，WANGHongtao(TheSoldiersSchool，TheSecondArtilleryEngineeringUniversit

3、y，Qingzhou262500)AbstractAnelastoplasticoptimizationanalysisofanickel-basesinglecrystalturbinebladewascarriedOut．Theresultsshowedthatthestressesandthestrainsincriticalpointwerefunctionsofcrystalorientation．Byoptimi—zingthecrystalorientation，theequivalentstress

4、incriticalpointcandecrease8atmost．Bycontrollingthecrystalgrowthdirection，turbinebladeSstressandstrainincriticalpointcanhereducedanditsservicelifewillbeimproved．Keywordssinglecrysta1nickelbasesuperalloy，optimizationanalysis，orthotropic，crystalorientation，tur—bi

5、neblade，elastoplastic涡轮叶片是直接利用高温、高速燃气做功的关键零件，为晶体取向的函数，并对某镍基单晶涡轮叶片进行弹塑性、其温度高、负荷大、应力状态复杂、工作环境非常恶劣，要求接触非线性应力分析及取向优化，获得等效应力最小的晶体材料具有足够好的热高低周疲劳、蠕变及其交互性能。镍基取向及最大应力分散性。单晶合金材料因具有卓越的高温性能被用于先进航空、航天1镍基单晶合金弹塑性本构关系发动机涡轮叶片，受到材料学家、力学家及工程师的广泛关注和研究_】]。这种合金的显著特点是其力学性能的晶体取1．1晶体坐

6、标系下的应力应变矢量向相关性和晶体取向的敏感性，此特性也给力学性能的分析令晶体坐标系下的应力应变矢量分别为：和工程应用带来了很大的困难[9引。{)T=[112233r12r23r13]叶片铸造过程中通常只控制叶片叶形叠积线方向{￡)一[￡nE22e33y123713](1)(<100>方向)的生长，叶片横截面内两晶轴方向处于随机状则晶体坐标系下的偏应力和偏应变可以分别表示为：态r3]，这就使得叶片的结构强度、持久寿命等特性具有较大{}一FN。]{}的分散度。因此，在单晶叶片的设计过程中，通过控制叶型{￡}一EN。]

7、{e)(2)积叠线方向的晶体取向偏差角和叶片横截面的晶轴方向，对其中：单晶叶片的取向进行优化设计，改善涡轮叶片的力学特性，具有重要的意义。文献[3]基于滑移系理论，以叶尖最大径000向位移为优化目标，对某镍基单晶涡轮叶片进行取向优化分000析，结果显示，叶尖径向位移与晶向角具有明显的相关性，然而滑移系理论中各滑移系硬化模量及其交互影响是一项难[]：000以精确模拟的物理量，并且各大型有限元软件目前没有滑移本构模型，因此，滑移系理论在航空发动机热锻部件的推广1O0及应用受到很大的限制。本研究利用HIIJL屈服准则，采

8、用O10关联流动理论，推导出了弹塑性应力应变矩阵和等效应力均001郝红利：女，1983年生，助教，研究方向为飞行器动力工程E-mail：rnz_wang2012@163．corn