循环疲劳或循环的优化及高循环疲劳试验台

摘要

一种用于优化循环及可选的高循环疲劳试验台(200)的方法，上述试验台用于模拟涡轮发动机部件的支撑部，其特征在于，所述方法包括以下步骤：确定上述台的支撑构件(126)和/或试件(110)的可变的几何参数，以及确定这些参数的变化范围；确定至少一个待实现的目标，上述的参数中的至少一部分的值的变化对该目标有影响；在上述的参数各自的范围内对上述参数的值中的一个或多个进行修改，并确定那些能够实现目标的值，并基于优化的参数制造或改造支撑构件和/或试件。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于优化低循环疲劳试验台以及可选的低循环与高循环疲 劳的组合的试验台的方法，以模拟涡轮发动机部件的支撑部以及其对应的支撑 构件，所述支撑部例如为转子盘的凹部突出部上的至少一个叶片根部的支撑部。

背景技术

涡轮发动机转子盘在其周缘上包括凹部的环形阵列，例如为燕尾式的叶片 根部被安装进上述凹部中，以形成转子轮。在运转中，上述叶片经受离心力的 作用，且其根部被上述盘中的凹部的侧向突出部所支撑。上述叶片经受与气动 力有关的振荡，上述振荡导致了上述叶片根部与上述盘之间的相对滑动。这种 载荷会影响叶片-盘附接部的使用寿命。

上述叶片-盘附接部的使用寿命的分析是基于计算的，上述计算由于计算出 的应力与使用寿命上的联系的影响而变得复杂。通过完整的数字模型，用于预 测使用寿命的的计算是可行的。实现上述模型的难点在于所需的输入数据。上 述模型需要叶片-盘接触下的应力场和用以引发相应的裂纹的循环数之间的关 联性。

鉴于这个分析，有必要设计一种在实验室条件下能够模拟承受低循环疲劳 (LCF)或低循环及高循环疲劳(HCF)的叶片-盘接触的试验。一种试验台可 以通过实验使确定上述叶片-盘接触的使用寿命成为可能。这些实验性的数据随 后将被用于建立用来确定真实部件的使用寿命的数字方法，对于上述真实部件， 通过实验来确定使用寿命是不可行的。

在现有的技术中，低循环疲劳试验台以及可选的高循环疲劳试验台均包括： 被固定到支座上并且限定出至少一个支承表面的支撑构件；以及试件，所述试 件被连接到用于对上述试件加载的牵引装置，以使所述试件抵靠上述构件的一 个或每个支承表面。

然而，上述试验台不完全令人满意，因为它们的设计没有考虑到上述支撑 构件和试件的特征、上述支撑构件和试件之间的接触的特性、所试验的接触的 工业应用、上述试验台在高循环疲劳试验期间的动态性能等等。

本发明的目的尤其是对上述的问题中的至少一些提供一种简单、有效和经 济的解决方案。

发明内容

本发明提出了一种用于优化低循环以及可选的低循环与高循环疲劳组合的 试验台的方法，上述试验台用于模拟涡轮发动机部件的支撑部，所述支撑部例 如为转子盘的凹部突出部上的至少一个叶片根部的支撑部，并且所述试验台包 括支撑构件以及试件，所述支撑构件以及试件被固定到支座上并且限定出至少 两个支承表面，所述试件被连接到用于对上述试件加载的牵引装置，以使得所 述试件抵靠在上述构件的一个或每个支承表面上，上述方法包括下述步骤：

确定上述支撑构件和/或上述试件的可变的的参数(尤其是几何参数)以及 所述参数的变化范围。

确定至少一个待实现或待优化的目标，至少上面提到的参数中的一些参数 的值的变化影响所述目标。

在所述参数的各自的范围中修改上述参数的值中的一个或多个，并确定能 够实现或优化上述目标的那些值，以分辨出优化的参数，以及

基于固定的参数和针对装备新台而优化的参数制造支撑构件和/或试件，或 基于上述优化的参数改造现有的台的支撑构件和/或试件。

上述方法的值得注意之处在于，上述支撑构件还包括分别对两个所述支承 表面加以支撑的两个中间部分，每个中间部分在与上述牵引装置相反的一侧通 过第一臂部连接到用于固定到上述支座的基座上，并且每个所述中间部分在上 述牵引装置的一侧通过一对第二臂部连接到两条横梁的端部，所述两条平行的 横梁彼此相距一定的距离，上述横梁的相反的端部通过另一对第二臂部连接到 另一中间部分，上述方法在上述可变参数中包括每对第二臂部的至少一个尺寸， 和/或上述第二臂部相对于相应的横梁的倾斜角或相对于相应的中间部分的支 承表面的倾斜角。

本发明由此提出了一种使得能够优化上述支撑构件和试件的特定的参数的 方法，以尤其改善上述试验相对于工业应用的代表性，以及改善上述试验的目 标的可靠性。上述可变参数优选地为几何参数，但也可以是其它类型的参数， 或不仅仅是几何参数。本发明进一步地使得能够改造试验台，以使其适用于任 一类型的涡轮发动机部件的支撑部，并且还具有能够应用到现有技术的已有的 试验台上的优点。

根据本发明的方法可以由包括优化软件的计算机系统来实施，所述优化软 件例如为Ansys公司销售的DesignXplorer软件。

上述可变参数可以包括上述第一臂部的至少一个尺寸，例如其长度和/或厚 度，和/或所述臂部相对于上述基座或上述支承表面的倾斜角，和/或上述臂部的 刚度，和/或上述基座与支承表面之间的高度或长度。

待被实现的目标可以是上述试件与支撑构件之间的支承表面的平行度和接 触，和/或上述表面之间的滑动的最大幅度，和/或在上述表面之间的基本均匀的 接触压力。

当上述试件和支撑构件的表面抵靠在基本为矩形的区域时，在上述区域的 下边缘区域中的接触压力与上述区域的上边缘区域中的接触压力之间的比值大 约等于1时，上述接触压力可以被视为是基本均匀的。

在上述台被用于低循环和高循环疲劳试验并且包括两个具有挠性中间部分 I状部件的情况下，其中的一个I形部件将上述支撑构件连接到上述支座，其中 的另一个I形部件将振动的叶片的一端连接到上述牵引装置，上述叶片的另一 端被连接到上述试件，上述台进一步包括与上述被连接到叶片的I形部件配合 的激发装置，所述激发装置用于使上述叶片在试验过程中振动，待被实现的目 标可以是上述叶片的目标振动频率。在至少两个目标被确定的情况下，所述的 目标中的至少一些被按重要性排序。由此，在参数的多个值能够优化上述目标 的情况下，所选择的参数可以是那些实现最重要的目标的最佳优化的参数。

在上述方法被用于对试验台(所述试验台对至少一个叶片根部的与转子盘 的凹部突出部抵靠的支撑部进行模拟)加以优化的情况下，上述试件的支承表 面可以代表转子盘的凹部突出部支承表面，并且上述支撑构件的支承表面代表 叶片根部的支承表面。

本发明还涉及一种支撑构件，所述支撑构件包括至少两个支承表面，上述 支承表面用于与试验台中的试件的支承表面配合，以模拟涡轮发动机部件的支 撑部，所述支撑部例如为至少一个叶片根部的与转子盘的凹部突出部抵靠的支 撑部，所述支承表面还用于执行低循环和可选的高循环疲劳试验。因为上述支 撑构件用于被固定到支座上并且上述试件必须被连接到用于对上述试件加载的 牵引装置而使得所述试件抵靠在所述支撑构件的每个支承表面上，上述支撑构 件的特征在于其进一步包括分别对所述两个支承表面加以支撑的两个中间部 分，每个中间部分在与上述牵引装置相反的一侧通过第一臂部连接到用于固定 到上述支座的基座上，并且每个中间部分在上述牵引装置的一侧通过一对第二 臂部连接到两条平行的横梁的一端，所述两条平行的横梁彼此相距一定的距离， 上述横梁的相反的一端被另一对第二臂部连接到另一中间部分。

有利的是，上述支撑构件的第一臂部与施加到上述支承表面的剪切力基本 共线，并且上述第二臂部与施加到上述表面的法向力基本共线。这允许法向应 力和剪切应力的分离。为了更精确，上述构件的几何结构(既与法向力共线， 又与剪切力共线)通过该结构的变形而使得在无论载荷如何的情况下都能保持 完全的平面到平面接触。

本发明也涉及一种低循环及可选的高循环疲劳试验台，特征在于其包括如 上文描述的支撑构件以及其被如上文描述的方法优化。

附图说明

通过参照附图以及阅读下文中以非限制性示例给出的说明，本发明将被更 好的理解，并且本发明的其它细节、特征和优点将显现，在附图中：

图1为叶片根部在涡轮发动机的转子盘的凹部中的附接的很简略的示意 图；

图2为低循环疲劳试验台的局部示意图，并且图中示出了上述台的试件和 支撑构件；

图3为图2的局部放大图，并且图中示出了试件与支撑构件之间的接触区 域；

图4为图2的支撑构件在疲劳试验期间的示意图；

图5为示出了作为接触区域的位置的函数的接触区域中开度角变化的曲线 图；

图6为另一种低循环疲劳试验台的局部透视示意图；

图7为图6的试验台的支撑构件和试件的半视图；

图8为一种低循环和高循环疲劳试验台的透视示意图；

图9为图8的局部放大图，并且图中示出了试件与支撑构件之间的接触区 域；

图10为示出了试件和支撑构件之间于接触区域的上边缘和下边缘之间的 接触压力的变化的曲线图；

图11和12为示出了支撑构件几何参数的改变对试件和支撑构件之间的接 触压力均匀性以及对两者之间滑动幅度的影响的曲线图；

图13为示出了作为上述试验台的叶片振动频率的函数的接触区域位移幅 度的变化的曲线图。

具体实施方式

首先参考图1，其示意性地示出了涡轮发动机的叶片-盘附接部，上述叶片 10包括接合在转子盘16的周缘中的凹部14中的根部12，上述盘包括用于接纳 叶片根部的类型的凹部14的环形阵列。由上述盘16和叶片10构成的组件构成 了涡轮发动机的转子轮。在这种情况下，上述根部12是燕尾式的。上述盘16 中的两个相邻的凹部14被齿状部15彼此分隔，上述齿状部15位于图1中被部 分示出的叶片的根部12的两侧。

在运转中，上述叶片10受到离心力(箭头18)的作用并且其轮叶具有振 荡的趋势(箭头20)，导致上述叶片根部12的侧向部分压靠上述盘中的凹部14 的侧向突出部22并在该突出部22上滑动。箭头24示出了施加到与上述叶片根 部12和凹部14相对的表面上的法向力，以及箭头26代表了施加到上述表面上 的剪切力。

图2至图4示出了一种试验台，上述试验台被设计为模拟承受低循环疲劳 (LCF)载荷的两种叶片-盘接触，以便通过实验确定上述接触的使用寿命。

上述试验台100基本上包括两个部分，即，被连接到牵引装置104上并且 用于模拟转子盘的齿状部的第一部分102，以及被连接到固定的支座108上并 且用于模拟与上述齿状部配合的两个叶片根部的部分的第二部分106。

上述第一部分102包括固定在叶片112一端的试件110，上述叶片112的 另一端被连接到上述牵引装置104。上述牵引装置104包括例如执行器，上述 执行器的杆的自由端被连接到上述叶片112，且上述执行器的气缸被上述试验 台的固定部分所支撑。上述执行器优选地与上述叶片112平行地定向，以这样 的方式使牵引力与上述叶片112的纵轴平行。

上述试件110包括构形为盘齿的部分，上述部分模拟上述盘中的两个相邻 的凹部的部分。上述部分具有燕尾形的总体形状并且包括两个侧面，所述两个 侧面被构形为模拟上述盘中两个相邻凹部的突出部120。每个上述突出部120 包括相对平坦的支承表面124(图3)。

上述试验台100的第二部分106包括支撑构件126，上述支撑构件126包 括被固定到支座108的基座128，所述支撑构件126还包括两条彼此平行并相 距一定距离且与上述基座平行的横梁130，上述梁130被臂部132、134连接到 上述基座，所述臂部支撑上述试件110的支承中间部分138。

上述基座128具有平行六面体的形状并优选地被以水平的方式固定在上述 支座108上的水平位置。上述基座由两个相对的端部连接到第一臂部132的下 端，所述第一臂部的上端被连接到对支承表面148加以支撑的中间部分138， 上述中间部分138被连接到第二臂部134的下端，所述第二臂部的上端被连接 到上述横梁130的一端。上述支承表面148用于与支承表面124配合。

存在有两个第一臂部132或下臂部，每个臂部132将上述基座128的一端 连接到上述中间部分138的下端。在静止位置，上述臂部132基本垂直于上述 基座126。

存在有四个第二臂部134或上臂部，每个中间部分138被一对第二臂部134 连接到上述横梁130的第一端部，上述横梁130的相反的端部被另一对第二臂 部134连接到另一中间部分138。每对第二臂部134均彼此平行并相距一定距 离，每条横梁130和被连接到上述梁的第二臂部134被基本定位于同一平面中。 在静止位置，上述臂部134基本垂直于上述梁130。

在图2中示出的经装配的位置，上述叶片112经过上述横梁130和试件110 之间，所述试件在上述中间部分138之间延伸，以这种方式，上述试件110的 表面124抵靠在上述中间部分138的表面148上。

如图3中可见的，在疲劳试验期间，即使上述试件110和支撑构件126的 支承表面124、148在试验开始时是完全平行且彼此抵靠的，由于部件的变形， 上述表面可能变得偏离并彼此移动远离，这导致在接触区域中出现开度角α。

根据本发明的优化方法使得这个缺陷被消除，上述优化方法使得能够改造 上述支撑构件和/或试件以确保上述开度角α在整个试验期间保持为零。

如图4中可见的，上述试验台100的部件，并且尤其是上述支撑构件，承 受力并经受变形，上述变形在这里可以通过上述支撑构件126的臂部132、134 的变形看出，这导致上述中间部分138和支承表面148彼此移动远离并有导致 在上述表面之间出现开度角α的风险。

如上文中说明的，根据本发明的方法使得能够优化上述试验台的一个或多 个可变的参数(尤其是几何参数)以最佳地实现目标。在这种情况下，所期望 的目标是在试验期间防止上述开度角α的出现；上述角因而必须保持为0。在 这种情况下，可变的几何参数是上述接触区域的位置，上述接触区域的位置在 图4中与在横梁130的上边缘与臂部134的下端部之间延伸的尺寸L相对应(并 且上述尺寸L基本等于上述臂部134的长度与横梁130的厚度之和，上述尺寸 沿基本平行于上述的叶片112的纵轴的方向测得)。

上述接触区域的位置被表示为上述支撑构件126总长度L'的百分比。上述 接触区域的位置P由此等于比值(L:L')*100。

根据本发明的方法尤其在于通过计算确定P的变化对上述开度角α的影响， 和确定P的哪个值可以实现上述目标(α＝0)。上述方法可以在于创建如图5所 示的曲线图，P在上述曲线图中的变化范围是[20％-40％]。要注意的是当P等于 大约27％时上述角α为0。从上述横梁130处测量，图2和图4的试件110与 试验台110的支撑构件126之间接触区域因此必须为支撑构件总长度的大约 27％。

图6和图7示出了另一种被通过根据本发明的方法进行设计和优化的低循 环疲劳(LCF)试验台100'。

上述试验台100'与上面说明的试验台100不同的不同之处尤其在于其臂部 132、134相对于基座128和横梁130是倾斜的，上述臂部132的上端部均被连 接到形成为圆柱体的一部分的中间部分138的下端部，所述中间部分的上端部 被连接到上述臂部134的下端部。上述臂部132与施加到表面124、148的剪切 力基本共线，且上述臂部134与施加到上述表面的法向力基本共线。

根据本发明的方法已经通过使用以下作为可变几何参数的参数而被应用： 每个臂部132、134的倾斜角度(例如相对于基座128)，上述支撑构件126的 不同部分的厚度，及上述臂部132、134的刚度和长度。在图6和图7中，以附 图标记150-159标示的箭头示出了上述参数中的某些参数：箭头150、152分别 示出了上述臂部132、134的长度，箭头154、156分别示出了上述臂部132、 134的高度，箭头158示出了上述接触区域的高度或位置，并且箭头159示出 了上述基座128或支撑构件126的宽度。

图8示出了一种被设计为模拟承受低循环疲劳(LCF)和高循环疲劳(HCF) 载荷的两种叶片-盘接触的试验台200。

上述试验台200具有台100'的所有上述的特征，以及额外地具有以下的特 征。

构件126通过I形部件158固定到支座上。上述部件158包括两个平行的、 基本为平行六面体的、实心块160，上述块160通过垂直于块的挠性壁162互 相连接。上述构件126的基座128被施加并固定到上述块160中的一个上，而 第二个块被固定到上述支座108上。

叶片112通过与第一个I形部件160基本相同的另一I形部件164固定到 牵引装置上。上述部件164的块中的一个块166被固定到上述叶片112的一端 (与上述试件110相对的一端)且另一个块166被连接到牵引装置。上述I形 部件的挠性壁162、168基本共面。

上述试验台200包括高频激发装置(例如振动器)，例如在被连接到上述叶 片的块166的区域中，上述高频激发装置抵靠在被连接到叶片112上的I形部 件164上，以使得叶片112振动。

图9是图8的试件110与支撑构件126之间的接触区域的放大图。在疲劳 试验期间，重要的是，上述试件110和支撑构件126的支承表面124、148之间 的接触压力在整个上述表面的范围上为基本均匀的。上述接触区域可以等同于 基本为矩形且平坦的表面。当处于上述接触区域的下边缘的区域中(C1中)的 接触压力P1基本等于处于上述接触区域的上边缘的区域中(C2中)的接触压 力P2时(即，P1:P2的比基本等于1时)，上述接触压力被认为是均匀的。图 10中的曲线图示出了：在一个实施例中，从C1起以毫米测量，作为上述接触 区域中的位置的函数的接触压力P(mPa)的变化。

图11和图12示出了根据本发明的方法的一个实施例，上述方法在此处的 情况下被运用以同时实现下述两个目标：第一个目标是上述的必须大约等于1 的压力比P1:P2，第二个目标是上述支承表面124、148的必须尽可能最高的滑 动幅度。

图11和图12示出了一系列计算的响应面，即，作为可变输入参数的函数 的最优化标准(optimisationcriteria)的值。因此，上述响应面使得能够对于输 入标准提出最佳的候选。

图11示出了压力比的变化(X轴)，所述压力比率的变化为臂部132的长 度(图7中箭头154-Y轴(mm))和臂部134的长度(图7中箭头156-Z轴(mm)) 的函数。图12示出了上述支承表面124、148的滑动的幅度(X轴(10^-4m))， 所述滑动的幅度为臂部132、134的长度的函数(分别为Y轴(mm)和Z轴 (mm))。

下表包括根据本发明的方法的优化步骤的目标。

上述臂部132的长度的变化范围为[80，100]mm，上述臂部134的长度的 变化范围为[79，80]mm。每个候选A、B和C对应一组考虑的参数的值。如上 面说明的，在这种情况下的目标为最大化上述支承表面的滑动幅度和确保P1:P2 的比尽可能地接近1。在重要性的标准中，需要注意的是上述压力比的目标要 优先于上述滑动幅度的目标。

需要注意的是，候选A和候选B使得能够获得相对高的滑动幅度，并且候 选C使得能够在获得接近于1的压力比的同时获得相对好的滑动的幅度。鉴于 上述压力比目标的重要性，候选C被选择，即，上述臂部132、134的长度的 对应值被考虑成：用于取得上述的双重目标的被优化的值。

在要被实现的目标是振动频率的情况下，因为激发频率或HCF载荷频率不 是恒定的，所以有必要调整上述台以能够施加上述的振动频率。上述HCF载荷 主要由上述支撑构件126的几何构造和刚度所控制，并且最主要地由上述叶片 112的几何构造和刚度所控制。上述振动频率不受例如上述支撑构件126和叶 片112的几何构造及刚度的控制，也不取决于例如上述支撑构件126和叶片112 的几何构造及刚度。

上述优化方法以与之前相同的步骤被应用，由此提出了对上述试验台的参 数的修改。新台的整体频率特性随后被计算并叠加在目标响应上。图13的曲线 图示出了试件110和支撑构件126的支承表面124、148的位移的幅度(Amp (m))的变化，所述位移的幅度的变化为上述叶片112的振动频率的函数。曲 线202示出了目标频率响应，并且曲线204示出了通过根据本发明的方法计算 出的频率响应。需要注意的是，用于优化上述台的方法是有效的，并且上述试 验台的技术使得能够通过改变参数来根据应用调整频率响应。

根据本发明的方法可以通过一计算机系统被实施，所述计算机系统尤其用 于执行优化计算。

根据本发明的方法的最后步骤在于：基于固定的参数以及针对装备新台而 优化的参数来制造支撑构件和/或试件，或基于上述优化的参数改造现有的台的 支撑构件和/或试件。