(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211212853.2 (22)申请日 2022.09.30 (71)申请人 西安交通大 学 地址 710049 陕西省西安市碑林区咸宁西 路28号 (72)发明人 曹宏瑞　刘凯凯　尹超　赵军　 陈雪峰　史江海　 (74)专利代理 机构 西安通大专利代理有限责任 公司 6120 0 专利代理师 王艾华 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06T 17/20(2006.01) G06F 119/04(2020.01) (54)发明名称 一种航空发动机轮盘裂纹引起不平衡力的 计算方法及系统 (57)摘要 本发明公开了一种航空发动机轮盘裂纹引 起不平衡力的计算方法及系统， 方法包括： 采集 轮盘及轮盘裂纹的属性参数； 基于有限元分析软 件建立含裂纹轮盘的有限元模型， 仿真分析不同 转速下的裂纹最大开口位移 变化规律， 建立循环 载荷下裂纹最大开口位移随转速变化的函数关 系； 考虑裂纹长度、 裂纹形态的影响， 修正所述函 数关系； 基于得到的函数关系， 运用质 径积的形 式计算轮盘裂纹引起的不平衡力的大小； 对比通 过有限元仿真得到的整体质心变化计算不平衡 量大小， 对比计算结果， 修正轮盘裂纹引起的不 平衡力计算公 式； 本发明考虑轮盘裂纹尖端在疲 劳载荷作用下产生的塑性变形， 分析循环载荷作 用下裂纹产生不平衡力的变化规律， 更加接近于 实际工况。 权利要求书2页 说明书9页 附图5页 CN 115495842 A 2022.12.20 CN 115495842 A 1.一种航空发动机轮 盘裂纹引起 不平衡力的计算方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1， 采集航发动机的轮 盘及轮盘裂纹的属性 参数； S2， 基于非线性数值模拟分析软件建立含裂纹轮盘的有限元模型， 具体采用循环加载 的方式来模拟轮 盘低循环疲劳过程， 每 个循环包括加载 ‑保载‑卸载三个阶段； S3， 根据S2建立的含裂纹轮盘的有限元模型， 仿真分析不同最高转速下的裂纹最大开 口位移变化 规律， 建立循环载荷下裂纹最大开口位移随转速变化的函数关系； S4， 根据S3得到的函数关系， 分析裂纹长度和裂纹形态对循环载荷下轮盘裂纹最大开 口位移的变化 规律的影响， 修 正裂纹最大开口位移与转速的函数关系； S5， 根据S4得到的修正后的裂纹最大开口位移随转速变化的函数关系， 简化裂纹开口 形状， 通过质径积的形式计算， 建立轮 盘裂纹引起的不平衡力计算模型； S6， 根据S2建立的含裂纹轮盘的有限元模型， 仿真分析得到轮盘的质心偏移量的变化 值， 通过质心偏移量的变化值计算不平衡量大小， 修正S5中建立的轮盘裂纹引起的不平衡 力计算模型， 得到轮 盘裂纹引起的不平衡力。 2.根据权利要求1所述的一种航空发动机轮盘裂纹引起不平衡力的计算方法， 其特征 在于， S1中， 航发动机的轮盘的属性参数包括： 几何尺寸参数和材料特性参数； 轮盘裂纹属 性参数包括： 裂纹形态和裂纹长度， 裂纹形态包括周向裂纹和径向裂纹。 3.根据权利要求1所述的一种航空发动机轮盘裂纹引起不平衡力的计算方法， 其特征 在于， S2中， 建立了含裂纹轮 盘的有限元模型的包括以下步骤： S2.1， 建立裂纹轮 盘的几何模型； S2.2， 对几何模型划分有限元网格， 设置材料属性、 网格类型、 分析步类型、 边界条件、 载荷和输出结果， 建立含裂纹轮盘的有限元模型； 所述的材料属性、 边界条件和载荷参照发 动机的实际工况确定； 所述输出 结果指有限元模型中裂纹最大开口位移。 4.根据权利要求3所述的一种航空发动机轮盘裂纹引起不平衡力的计算方法， 其特征 在于， S2.2中， 采用六面体八节点单元对轮盘进行有限网格划分， 对于存在应力集中现象的 裂纹尖端区域， 通过区域分割并设置种子点数的方式进 行网格划分， 在轮盘的其他区域， 通 过尺寸控制的方式设置适当的网格大小； 在裂纹尖端区域划分 网格密度大于其他区域的网 格密度。 5.根据权利要求3所述的一种航空发动机轮盘裂纹引起不平衡力的计算方法， 其特征 在于， S2.2中， 材料属性设置引入弹塑性理论的非线性因素， 在分析塑性区内的应力应变关 系时， 采用随动 强化和各向同性强化组合的混合强化模型， 混合强化模型中的各向同性部 分采用Voce的非线性各向 同性硬化准则， 混合 强化模型中的随动强化部 分采用三项背应力 的Chaboche非线性随动硬化模型。 6.根据权利要求1所述的一种航空发动机轮盘裂纹引起不平衡力的计算方法， 其特征 在于， S3具体包括， 对循环载荷下裂纹最大开口位移随转速的变化关系进 行有限元仿 真， 得 到循环载荷下裂纹最大开口位移在升降速过程中遵循不同的变化规律的结论， 利用裂纹最 大开口位移的变化量Δu与转速的变化量Δω的关系， 通过二次函数拟合的方式求解裂纹 最大开口位移随转速的函数关系； 升速过程中， 通过多项式拟合建立Δu与Δω之间的一元二次多项式； 降速过程中， 通 过多项式拟合建立两个参数 的一元二次多项式时， 对变量进行转换； 最终得到两个变量之权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115495842 A 2间的函数关系： 式中， umin为开始升速时裂纹最大开口位移； umax为开始降速时裂纹最大开口位移。 7.根据权利要求6所述的一种航空发动机轮盘裂纹引起不平衡力的计算方法， 其特征 在于， S4中， 考虑裂纹长度的影响： 改变裂纹长度分析裂纹长度对循环载荷下裂纹最大开口 位移变化 规律的影响， 得到裂纹最大开口位移的变化 量与裂纹长度成正比； 考虑裂纹形态的影响： 周向裂纹与径向裂纹相同， 对于升速过程， 分析裂纹最大开口位 移的变化量Δu与转速的变 化量Δω的关系； 对于降速过程， 分析 随Δω/ωmax变化 的变化规律， 进而得到周向裂纹最大开口位移的随转速变化的函数关系： 其中， l为裂纹长度， a3、 a4和b4为升速和降速过程相关系数。 8.根据权利要求1所述的一种航空发动机轮盘裂纹引起不平衡力的计算方法， 其特征 在于， S5中， 通过计算缺 失质量的大小计算出轮盘裂纹产生的等效不平衡量大小， 将径向裂 纹的形状简化为等腰三角形计算裂纹引起的缺失部 分的质量， 将周向裂纹形状简化为椭圆 形计算裂纹引起的缺失部分的质量。 9.一种航空发动机轮盘裂纹引 起不平衡力的计算系统， 其特征在于， 包括参数获取模 块、 模型构建模块、 第一计算模块、 第一 修正模块、 第二计算模块以及第二 修正模块； 参数获取模块用于获取航发动机的轮 盘及轮盘裂纹的属性 参数； 模型构建模块用于非线性数值模拟分析软件建立含裂纹轮盘的有限元模型， 具体采用 循环加载的方式来模拟轮 盘低循环疲劳过程， 每 个循环包括加载 ‑保载‑卸载三个阶段； 第一计算模块用于根据含裂纹轮盘的有限元模型， 仿真分析不同最高转速下的裂纹最 大开口位移变化 规律， 建立循环载荷下裂纹最大开口位移随转速变化的函数关系； 第一修正模块用于根据第 一计算模块得到的函数关系， 分析裂纹长度和裂纹形态对循 环载荷下轮盘裂纹最大开口位移的变化规律的影响， 修正裂纹最大开口位移与转速的函数 关系； 第二计算模块根据第 一修改模块修正后的裂纹最大开口位移随转速变化的函数关系， 简化裂纹开口形状， 通过质径积的形式计算， 建立轮 盘裂纹引起的不平衡力计算模型； 第二修正模块根据含裂纹轮盘的有限元模型， 仿真分析得到轮盘的质心偏移量的变化 值， 通过质心偏移量的变化值计算不平衡量大小， 修正第二计算模块得到的不平衡力计算 模型， 得到轮 盘裂纹引起的不平衡力。 10.一种计算机设备， 其特征在于， 包括处理器以及存储器， 存储器用于存储计算机可 执行程序， 处理器从存储器中读取所述计算机可执行程序并执行， 处理器执行计算可执行 程序时能实现权利要求1～8中任一项所述 航空发动机轮 盘裂纹引起 不平衡力的计算方法。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115495842 A 3