一种轴向限位环变形优化设计方法及系统与流程

本发明属于航空发动机热端部件强度设计，具体涉及一种轴向限位环变形优化设计方法及系统，尤其适用于热-力耦合载荷环境下涡轮部件中轴向限位环的抗疲劳失效设计与结构优化。

背景技术：

1、轴向限位环一般为开口的环形结构，径向可以进行适当的弹性变形，通过金属的弹性变形安装在涡轮机匣凹形槽里，防止装在槽内或轴上的其他零件产生轴向窜动，起到轴向限位作用。

2、目前，在航空发动机涡轮部件导向器设计中，主要采用轴向限位环起轴向限位和阻隔冷却气流的作用，该轴向限位环主要为开口环形结构，装配在涡轮机匣的u型槽中，对涡轮导向器起到轴向限位作用。然而，受涡轮部件温度循环载荷的影响，限位环在长期使用过程中发生塑性变形，并在循环载荷作用下塑性变形发生累积，最终轴向限位环脱出涡轮机匣安装槽，导致其失效和其他部件的二次损伤，影响了发动机工作安全。

3、当前，发动机轴向限位环失效问题暴露较少，相应的失效模式及强度设计方法研究也较少。现有技术中对轴向限位环的强度评估通常采用机匣的通用强度评估方法，该方法难以准确评估限位环在复杂热-力耦合环境下的应力应变及变形规律，存在较大的评估风险。此外，现有设计方法缺乏针对轴向限位环开口结构参数的优化手段，难以在满足安全裕度的前提下实现结构的高效设计。

4、因此，亟需建立一种针对轴向限位环失效的热-力耦合评估方法，并基于该评估方法建立结构优化设计流程，以应用于航空发动机强度设计，完善强度设计体系，确保发动机服役安全。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有轴向限位环强度评估方法难以准确评估热-力耦合环境下限位环应力应变及变形规律、缺乏结构参数优化手段的技术问题，旨在提供一种轴向限位环变形优化设计方法及系统，能够有效评估轴向限位环在热-力耦合载荷下的变形失效风险，并实现结构参数的快速优化。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种轴向限位环变形优化设计方法，所述轴向限位环为斜切角开口设计，所述方法包括以下步骤：

4、s1、建立系统的三维有限元模型，所述系统包括涡轮机匣、轴向限位环、涡轮导向器和蜂窝环；所述轴向限位环采用chaboche随动强化材料本构模型模拟其应力应变变化规律；

5、s2、确定轴向限位环变形分析的热-力载荷谱，所述载荷谱包括温度场和轴向力，并建立考虑循环加载顺序的热-力耦合循环载荷谱加载方法；

6、s3、建立系统的热-力耦合失效评估方法，对所述有限元模型加载所述载荷谱，获得轴向限位环的变形评估参数，并根据失效判定依据判断轴向限位环是否满足安全要求；

7、s4、建立系统的多目标优化流程，以轴向限位环的开口长度和横截面宽度为设计变量，以所述热-力耦合失效评估方法为目标约束函数，采用响应面模型建立多目标优化函数，使用遗传算法对所述多目标优化函数进行求解，寻求使所述多目标优化函数取得最小值时对应的轴向限位环的开口长度和横截面宽度，作为轴向限位环的最优解。

8、优选地，步骤s1中，所述轴向限位环为斜切角开口设计，即开口方向与周向外环的夹角为锐角。

9、优选地，步骤s1中，所述chaboche随动强化材料本构模型为：

10、

11、

12、其中，为材料屈服强度，为等效塑性应变，为强化模量，为强化模量的衰减率，n取3；所述模型参数根据轴向限位环材料标准试样的单轴单调拉伸试验的应力-塑性应变曲线拟合获得。

13、优选地，步骤s2中，所述热-力耦合循环载荷谱的加载方法包括第一工况循环载荷谱加载和第二工况载荷加载。第一工况循环载荷谱加载包括依次执行的以下步骤：

14、第一步，施加第一工况载荷下瞬态温度场峰值温度状态下内流产生的轴向力，所述第一工况为发动机应急起飞工况；

15、第二步，施加第一工况载荷下瞬态温度场峰值温度状态下内流产生的轴向力和非线性瞬态热仿真温度场；

16、第三步，施加第一工况载荷下瞬态温度场峰值温度状态下内流产生的非线性瞬态热仿真温度场，不加载轴向力；

17、第四步，仅施加常温。

18、上述第一步至第四步为第一工况循环载荷谱的完整加载流程，用于评估轴向限位环在循环载荷下的塑性应变累积。

19、第二工况载荷加载用于评估轴向限位环与蜂窝环的径向配合间隙，所述第二工况为发动机应急停车工况。

20、优选地，步骤s3中，所述变形评估参数包括：轴向限位环的等效塑性应变率、发生塑性变形的单元体积占比r、循环载荷变形后轴向限位环与蜂窝环的径向间隙、以及第二工况下轴向限位环与蜂窝环的径向间隙；

21、所述失效判定依据为：小于预设应变率安全阈值、r小于预设体积占比安全阈值、大于零、大于零。

22、优选地，步骤s4中，所述响应面模型为：

23、

24、其中m=2，为轴向限位环的开口长度l，为轴向限位环的横截面宽度t，、、为响应面模型的拟合参数。

25、优选地，步骤s4中，所述多目标优化函数为：

26、

27、其中，、、、为权重系数，且。

28、本发明还提供一种轴向限位环变形优化设计系统，用于实现上述方法，所述系统包括：

29、三维有限元模型建立模块，用于建立包括涡轮机匣、轴向限位环、涡轮导向器和蜂窝环的系统三维有限元模型；

30、材料本构确定模块，用于采用chaboche随动强化材料本构模型模拟轴向限位环的应力应变变化规律；

31、载荷谱确定模块，用于确定轴向限位环变形分析的热-力载荷谱，并建立热-力耦合循环载荷谱的加载方法，所述加载方法包括第一工况循环载荷谱加载和第二工况载荷加载，所述第一工况循环载荷谱加载依次包括：施加第一工况载荷下瞬态温度场峰值温度状态下内流产生的轴向力；施加第一工况载荷下瞬态温度场峰值温度状态下内流产生的轴向力和非线性瞬态热仿真温度场；施加第一工况载荷下瞬态温度场峰值温度状态下内流产生的非线性瞬态热仿真温度场，不加载轴向力；仅施加常温；所述第二工况载荷加载用于评估轴向限位环与蜂窝环的径向配合间隙；

32、热-力耦合失效评估模块，用于对所述有限元模型加载所述载荷谱，获得轴向限位环的变形评估参数，并根据失效判定依据判断轴向限位环是否满足安全要求；

33、多目标优化模块，用于以轴向限位环的开口长度和横截面宽度为设计变量，以所述热-力耦合失效评估方法为目标约束函数，采用响应面模型建立多目标优化函数，使用遗传算法对所述多目标优化函数进行求解，寻求使所述多目标优化函数取得最小值时对应的轴向限位环的开口长度和横截面宽度，作为轴向限位环的最优解。

34、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

35、1.本发明建立了一套系统的热-力耦合失效评估方法，通过建立系统三维有限元模型并施加热-力耦合载荷谱，能够准确评估轴向限位环在复杂热-力环境下的应力应变及变形规律，可有效防止轴向限位环在工作状态中的变形导致脱出，保证其安全可靠的工作，克服了现有技术中采用机匣通用强度评估方法无法准确评估限位环失效风险的缺陷。

36、2.本发明基于chaboche随动强化本构模型模拟轴向限位环的循环塑性变形行为，能够更准确地描述限位环在循环热-力载荷下的应力应变响应，为失效评估提供了精确的材料本构基础。

37、3.本发明建立了考虑循环加载顺序的热-力耦合循环载荷谱加载方法，能够真实模拟轴向限位环在实际工作中的载荷历史，提高了变形分析的准确性。

38、4.本发明基于响应面模型和遗传算法建立了多目标优化流程，以轴向限位环开口长度和横截面宽度为设计变量，以热-力耦合失效评估方法为目标约束函数，能够快速寻求轴向限位环的最优解，缩短了设计周期，提高了轴向限位环的设计效率。