Radiation heat transfer model for complex superalloy turbine blade in directional solidification process based on finite element method

For the sake of a more accurate shell boundary and calculation of radiation heat transfer in the Directional Solidification(DS) process, a radiation heat transfer model based on the Finite Element Method(FEM)is developed in this study. Key technologies, such as distinguishing boundaries automatically, local matrix and lumped heat capacity matrix, are also stated. In order to analyze the effect of withdrawing rate on DS process,the solidification processes of a complex superalloy turbine blade in the High Rate Solidification(HRS) process with different withdrawing rates are simulated; and by comparing the simulation results, it is found that the most suitable withdrawing rate is determined to be 5.0 mm·min^(-1). Finally, the accuracy and reliability of the radiation heat transfer model are verified, because of the accordance of simulation results with practical process.

Fatigue Assessment Method for Composite Wind Turbine Blade

Fatigue strength assessment of a horizontal axis wind turbine(HAWT)composite blade is considered.Fatigue load cases are identified,and loads are calculated by the GH Bladed software which is specified at the IEC61400 international specification and GL(Germanisher Lloyd)regulations for the wind energy conversion system.Stress analysis is performed with a 3-D finite element method(FEM).Considering Saint-Venant′s principle,a uniform cross section FEM model is built at each critical zone.Stress transformation matrixes(STM)are set up by applied six unit load components on the FEM model separately.STM can be used to convert the external load into stresses in the linear elastic range.The main material of composite wind turbine blade is fiber reinforced plastics(FRP).In order to evaluate the degree of fatigue damage of FRP,the stresses of fiber direction are extracted and the well-known strength criterion-Puck theory is used.The total fatigue damage of each laminate on the critical point is counted by the rain-flow counting method and Miner′s damage law based on general S-N curves.Several sections of a 45.3mblade of a 2 MW wind turbine are studied using the fatigue evaluation method.The performance of this method is compared with far more costly business software FOCUS.The results show that the fatigue damage of multi-axis FRP can be assessed conveniently by the FEM-STM method.And the proposed method gives a reliable and efficient method to analyze the fatigue damage of slender composite structure with variable cross-sections.

Aero-engine Blade Fatigue Analysis Based on Nonlinear Continuum Damage Model Using Neural Networks

Fatigue life and reliability of aero-engine blade are always of important significance to flight safety.The establishment of damage model is one of the key factors in blade fatigue research.Conventional linear Miner＇s sum method is not suitable for aero-engine because of its low accuracy.A back propagation neutral network（BPNN） based on the combination of Levenberg-Marquardt（LM） and finite element method（FEM） is used to describe process of nonlinear damage accumulation behavior in material and predict fatigue life of the blade.Fatigue tests of standard specimen made from TC4 are carried out to obtain material fatigue parameters and S-N curve.A nonlinear continuum damage model（CDM）,based on the BPNN with one hidden layer and ten neurons,is built to investigate the nonlinear damage accumulation behavior,in which the results from the tests are used as training set.Comparing with linear models and previous nonlinear models,BPNN has the lowest calculation error in full load range.It has significant accuracy when the load is below 500 MPa.Especially,when the load is 350 MPa,the calculation error of the BPNN is only 0.4%.The accurate model of the blade is built by using 3D coordinate measurement technology.The loading cycle in fatigue analysis is defined from takeoff to cruise in 10 min,and the load history is obtained from finite element analysis（FEA）.Then the fatigue life of the compressor blade is predicted by using the BPNN model.The final fatigue life of the aero-engine blade is 6.55 104 cycles（10 916 h） based on the BPNN model,which is effective for the virtual design of aero-engine blade.

Effects of Process Parameters on the Temperature Field in Ti-6Al-4V Alloy Blade Precision Forging Process

Blade precision forging is a high temperature and large plastic deformation process. Process parameters have a great effect on temperature distribution in billet, so in this paper, by taking a Ti-6Al-4V alloy blade with a tenon as an object, the influence of process parameters on the temperature distribution in precision forging process was investigated using 3D coupled thermo-mechanical FEM （finite element method） code developed by the authors. The results obtained illustrate that： （1） the gradient of temperature distribution increases with increasing the deformation degree; （2） with increasing the initial temperature of the billet, the zones of high temperature become larger, and the gradient of temperature distribution hardly has any increase; （3） friction factors have little effect on the distribution of temperature field; （4） with increasing upper die velocity, temperature of the billet increases while the temperature gradient in billet decreases. The results are helpful to the design and optimization of the process parameters in precision forging process of Ti-alloy blade.

船式拖拉机直线工作参数优选研究

为提高船式拖拉机驱动性能,以单轮叶为研究对象,结合离散元法搭建了仿真模型与土槽试验平台,分析单轮叶与土壤的直线作业机理。验证仿真模型的有效性后,从单轮叶与土壤作业过程出发,对单轮叶直线作业过程受力进行了分析,发现单轮叶推进力和支撑力均随着转过角度的增加呈现先增加后降低的趋势变化。以单轮叶推进力和扭矩作为评价指标,探究单轮叶工作参数对驱动性能的影响规律,通过多因素法得到最佳的工作参数组合。研究结果表明:最优工作参数组合为入土角度11°、入土深度147mm、前进速度1.6m/s,此时轮叶推进力为172.51N、扭矩为69.82N·m,优化后的单轮叶推进力提高了40.82N,扭矩下降了34.77N·m。土槽试验表明:优化后的单轮叶损耗功率降低明显,驱动性能得到了有效提高,结果为船式拖拉机工作参数选择提供了理论依据。

基于离散元法的SLM刮刀倾角对粉末铺展行为的影响研究

刮刀倾角对选区激光熔化过程粉末铺展行为有重要影响.基于离散元法建立铺粉数值模型,对不同刮刀倾角的铺粉过程及粉层质量进行模拟研究.针对不同的刮刀倾角,提出一个量化指标对粉层铺展的致密度和均匀性进行综合评估,获得刮刀倾角对粉层质量的影响规律.根据颗粒分布及运动特征将粉堆颗粒体系划分为底层区、斜坡区、刮刀影响区和内部区4个区域.针对各区域进行铺粉过程动力学机理的深入研究,包括颗粒运动轨迹和速度场、刮刀前方剪切带、颗粒间力链分布及演化等.研究发现:刮刀倾角小于0时,颗粒体系难以形成完整的环流运动,剪切带较小,流向沉积层的颗粒较少,颗粒间强力链较少,刮刀间隙前方易形成力拱导致颗粒堵塞,进而形成空斑使得沉积层的致密度和均匀性较低.刮刀倾角大于0时,颗粒体系的环流运动较充分,剪切带较大,流向沉积层的颗粒增多,随倾角增大强力链增多,刮刀压实作用增强,有利于沉积层致密度和均匀性的提高.本研究为优化工艺参数、提高粉层沉积质量提供了理论基础.

大型风力机叶片前缘的雨滴冲击动力学响应机制

随着近年海上风力机设计的大型化,叶片前缘的雨蚀失效问题变得愈发突出,不仅影响机组的风能转化效率,对结构的稳定运行也构成潜在威胁。采用光滑粒子流体动力学(smooth particle hydrodynamics,SPH)法研究雨滴内部的本构关系,以有限元法(finite element method,FEM)建立叶片前缘的代表性体积单元(representative volume element,RVE)模型,两者相互耦合,研究雨滴在叶片表面形成的冲击响应过程。考虑自然降雨的实际工况,建立与降雨强度相关联的雨滴尺寸模型,以及雨滴的空间分布模型;通过单雨滴的冲击仿真,研究叶片表面冲击载荷以及雨滴内部的速度分布,从而解构雨滴冲击的物理过程,并通过冲击的应力、应变场分析,为潜在损伤区提供评价;建立多雨滴冲击的仿真模型,研究冲击应力场之间的耦合作用以及涂层表面的塑性应变累积效果。研究结果表明,水锤冲击是造成塑性应变累积的关键因素,虽然横向喷射阶段的应力响应幅值小并呈现一定的无序特征,但如果存在多雨滴耦合冲击的情况,则会在耦合区内出现应力峰值,并对叶片变形和失效存在潜在影响。

辊压适张处理工艺参数选择对硬质合金圆锯片动态性能的影响研究

辊压适张处理是提高硬质合金圆锯片动态性能的重要方法,为探寻辊压适张工艺对硬质合金圆锯片的动态特性的影响规律,基于ABAQUS软件建立硬质合金圆锯片的辊压仿真模型,分析了在不同辊压工艺参数下硬质合金圆锯片的适张应力、固有频率和静刚度的影响趋势,研究了辊压工艺参数的选择对硬质合金圆锯片动态性能的影响。结果表明:辊压载荷对硬质合金圆锯片的动态性能影响最大,辊压次数其次,辊压位置影响最小;仿真分析选择的辊压载荷为10~15kN,辊压位置为0.7R~0.8R,辊压次数为1。研究结果可为圆锯片选择合适的辊压适张处理工艺参数提供理论依据和技术参考。

复材风扇叶片榫头元件低周疲劳和损伤模式

为考核层合结构复材风扇叶片在1.5倍离心载荷下的低周疲劳寿命,制备一批风扇叶片,在薄弱部位取样。通过建立层合结构风扇叶片有限元模型,模拟榫头的应力状态,从而确定拉伸载荷水平,开展拉-拉载荷低周疲劳测试。在相邻铺层间引入内聚力单元,并考虑榫头试样单向带面内损伤,模拟损伤变量随循环数累积的过程,增加虚拟拉伸载荷,得到榫头低周疲劳失效时刻的损伤状态。试验结果说明榫头元件形成分层裂纹的平均寿命为17207次循环,首次出现分层裂纹的位置基本一致。数值仿真结果表明榫头单向带基体和层间损伤累积引起裂纹扩展,导致低周疲劳失效。本研究可为建立层合结构复材风扇叶片低周疲劳寿命试验流程和疲劳失效判据提供支撑。

Finite Element Method Analysis of Effect of Blade Clearance on Plate Shearing Process

Blade clearance is an important technical parameter of the shear, which determines the shear quality of plate. The finite element method was used to simulate shearing process which is in the different specifications and blade clearances, and the impact on blade section and shearing force of blade clearance was analyzed. Comparing with traditional experience formulas and measured values, the limitations of the experience formulas were proved. And by contrasting with the shearing force data collected from Linfen Iron and Steel Company, the reliability of the finite element method was further proved. The simulated results show that the simulated values controlled by ductile fracture criterion and measured values are very close, and the deviation value is in the range of 4.8%-20.8%. For the same steel, if the plate is thicker, the blade clearance will be greater, and thickness and blade clearance are approximately linear. The difference between numerical simulation of the maximum shearing force and the measured results is 7.7% to 12.0%, and the simulation results are close to facts. With the increase of blade clearance and the thickness, the shearing force was increased to some degree.

基于离散元法的立式旋耕刀结构参数对作业影响仿真分析

为探究立式旋耕刀的结构参数对其作业过程中自身受力及作业效果的影响,建立立式旋耕刀作业过程离散元模型,利用单因素试验方法,研究立式旋耕刀刀具外倾角、刀刃倾角、内折弯角对旋耕刀入土阻力、耕作阻力、扭矩、碎土率的影响,以及刀尖圆角半径对刀具入土阻力的影响。通过正交试验,研究并建立立式旋耕刀刀具外倾角、刀刃倾角和内折弯角对其所受阻力、扭矩及碎土率影响的预测模型。以减阻提效为目标,通过响应面分析和所构建的预测模型对上述3个角度参数进行优选和分析。结果表明,当刀具的外倾角为6.140°、刀刃倾角为5°、内折弯角为10.752°时,旋耕刀的耕作阻力为1 131.164 N、扭矩为307.758 N·m、碎土率为89.321%。

某40 MW汽轮机组末级长扭叶片枞树型叶根设计

介绍了某40 MW汽轮机组末级长扭叶片的两种枞树型叶根结构,比较了两种叶根结构采用传统算法时的应力情况,评估了枞树型叶根优化的可行性,并建立了长扭叶片的有限元分析模型。通过对长扭叶片与轮槽进行有限元计算,分析了汽轮机末级长扭叶片枞树型叶根过渡段轴向长度及轮缘处叶根轴向斜角在不同取值时叶根的最大等效应力,确定了枞树型叶根的几何参数,同时为保证叶片和机组的安全可靠性,建立了长扭叶片的模态分析模型,分别计算了叶片在4 900 r/min和5 000 r/min时的前3阶的固有频率,确定其动频振动特性,避免共振的发生,最终达到了优化汽轮机组末级长扭叶片枞树型叶根结构的目的。同时建立的长扭叶片有限元分析模型为今后同类叶片设计问题提供了理论支持和解决方案。

基于离散元深松土壤模型的折线破土刃深松铲研究

针对目前华北平原壤土区应用的深松铲作业阻力大、能耗高、平整度差、深松后形成的缝隙过大不利于保墒等问题,基于耕作层、犁底层和心土层土层厚度及土壤物理性质不同,设计了一种有效减阻降耗的折线破土刃深松铲。运用离散元法建立深松土壤模型,设定土壤颗粒接触模型,测定耕作层、犁底层和心土层3层土壤颗粒虚拟仿真参数。应用EDEM软件进行深松铲性能虚拟仿真,检验了破土刃切削刃角θ与滑切角φ最优效果。相比圆弧形深松铲,折线破土刃深松铲对土壤颗粒冲击较小,降低了土层扰动量,降低了牵引阻力,地表平整度与沟槽宽度均明显优于圆弧形深松铲;田间试验结果表明,折线破土刃深松铲有效降低了犁底层的容重和紧实度,比圆弧形深松铲作业阻力减少了11.52%,作业稳定性、可靠性较好。田间试验与仿真试验对比结果证明离散元三层深松土壤模型基本满足深松铲性能试验。

基于离散元法的旋耕刀受力分析

为分析旋耕刀在有秸秆覆盖和无秸秆覆盖土壤中工作时的受力情况,该文采用离散元法构建土壤-旋耕刀相互作用和秸秆-土壤-旋耕刀相互作用的三维离散元模型。在土槽试验中采用扭矩传感器测量旋耕刀所受扭矩,在仿真中导出每个时刻旋耕刀受到的扭矩和力数据,试验和仿真都在恒定前进速度0.222 m/s和耕作深度100 mm及4种转速77、100、123、146 r/min下进行。结果显示旋耕刀最大扭矩值随着转速增加呈现增加的趋势;在无秸秆覆盖土壤中,试验值与仿真值的相对误差为16.3%;在有秸秆覆盖土壤中二者相对误差为19.1%。耕作过程中旋耕刀所受合力、水平力及侧向力都呈现先升后降的趋势;合力、水平力和垂直力的最大值,都随着转速的增加而增加。旋耕刀刚开始切土时,在有秸秆覆盖的土壤中受到的阻力总比无秸秆覆盖的土壤中所受阻力要大;之后旋耕刀在有秸秆覆盖的土壤中受到的最大力要大于在无秸秆覆盖的土壤中受到的最大力。仿真的水平力和垂直力与旋耕刀理论模型计算得到的旋耕刀水平力和垂直力变化一致。利用离散元法研究旋耕刀切土过程,对探讨刀具与土壤的相互作用机理及设计和优化高秸秆含量土壤中工作的耕作机械具有重要意义。

气动载荷作用下复合材料风力机叶片结构优化设计

针对复杂构形的复合材料风力机叶片内部结构,采用新设计的2 MW风力机叶片,基于等代设计法对其进行复合材料初始铺层设计;建立完整的叶片有限元参数化模型;基于修正的动量叶素理论,提出一种适用于叶片结构设计与优化的新的流固耦合方法;建立叶片优化数学模型,以叶片质量最小为优化目标,以层合板厚度、主梁位置等作为优化设计变量,采用粒子群算法与有限元法结合的策略对复合材料风力机叶片进行优化设计。优化结果表明,相比初始叶片,优化后的叶片质量有了较大的减少,而且以优化设计方案二(叶片主梁位置可变作为优化设计变量之一)的结果尤为明显。该研究对于风力机叶片结构设计及优化具有重要的指导意义,使风力机翼型、叶片及结构参数化一体化设计成为可能。

钛合金空心风扇叶片成形三维有限元分析(英文)

随着高旁路涡扇发动机在军用、民用飞机上的应用,采用超塑成形/扩散连接(SPF/DB)技术制造大尺寸钛合金宽弦风扇叶片已经成为涡扇发动机的一项关键制造技术。钛合金空心风扇叶片的成形过程包括3个阶段:扭转成形、热成形、超塑成形。在本研究中,为了分析空心风扇叶片的成形过程,建立了一个三维有限元模型,钛合金的变形行为符合Backofen方程。通过三维有限元模型,分析扭转速率、热成形模具下落速度、超塑成形目标应变速率、板材与模具之间的摩擦系数、芯板和面板的厚度比等参数对成形力的影响规律。研究表明,随着扭转速度、热成形模具的下落速度、目标应变速率、板材厚度比的提高,成形力将提高,而摩擦系数对成形力的影响很小。

某电厂汽轮机低压缸零出力供热工况低压末级叶片动强度分析

汽轮机低压缸零出力供热工况下,低压缸的进汽流量急剧减小,会导致低压末级叶片运行工况严重偏离设计值而影响其安全性。本文采用有限元方法,建立了某电厂300 MW汽轮机低压末级叶片在汽流激振力下的振动方程,采用直接积分方法分别计算了叶片在设计工况和低压缸零出力供热工况下的动应力。结果表明:设计工况下叶片的最大动应力为5.973 MPa,位于叶顶区域;低压缸零出力供热工况下叶片的最大动应力为1.119 MPa,位于凸肩区域,该最大动应力小于设计工况,说明低压缸零出力供热工况下叶片的动强度满足制造厂设计要求。

基于UG的航空发动机涡轮叶片模态分析

基于UG软件对某型航空发动机涡轮叶片的振动特性进行了研究,建立了该叶片的实体模型,并利用UG结构分析模块进行了模态分析,得到了叶片的各阶固有频率和相应的振型。根据计算结果分析了涡轮叶片的振动特性,为该叶片的设计优化和振动安全性检验提供了数值依据。

轴流式水轮机叶片刚度和强度有限元分析

轴流式水轮机转轮叶片进出口边与枢轴法兰连接的根部易出现应力集中。本文利用ANSYS有限元计算程序对某轴流式水轮机叶片的刚度和强度进行详细的计算分析 ,提出开应力缓冲槽的改进方案 ,并进一步探讨应力缓冲槽的形状、大小对降低应力集中效果的影响 ;在此基础上 ,提出加大叶片与法兰交接处过渡圆弧的改型方案 ,对改型前后叶片的应力、变形及模态分析表明 ,改型后的叶片应力集中显著改善 ,刚度和固有频率变化较小。

俯仰操纵方式对自转旋翼机操稳特性的影响

为了研究不同的俯仰操纵方式对于旋翼机飞行动力学特性的影响,首先基于解析形式叶素法给出自转旋翼的建模方法,并建立了对象无人旋翼机的数学模型;然后分析了2种操纵方式在配平、稳定性及操纵性等方面的差异。研究表明,2种操纵方式各有优缺点:旋翼操纵方式的配平俯仰姿态变化更小且长周期稳定性更好,但螺旋模态不稳定;升降舵操纵方式的螺旋稳定性更好,且俯仰可达力矩较大,但高速配平迎角为负且存在速度静不稳定的问题。针对2种操纵方式,分别设计集成了2架样例无人旋翼机并进行了飞行试验。基于试验数据分析了无人旋翼机飞行过程中自转旋翼的转速变化特性;分别对2架无人旋翼机进行了姿态控制律设计与试验,较好地实现了姿态跟踪控制,并基于试飞数据验证了无人旋翼机数学模型。