在高端能源動力領域，葉輪機械是心臟中的心臟，它們承擔著能量轉換的重任，沒有他們就沒有大飛機的航空發動機，也沒有我們055大驅燃氣輪機。尤其在能源領域，火力發電所使用的汽輪機，壓縮空氣儲能系統的膨脹機都是的大尺寸的高速葉輪機組，負責幾百兆瓦的能量輸出。

 大尺寸葉輪機組

 艦載燃氣輪機[1]

 

欲戴王冠，必承其重。作為如此大的能量轉換載體，如果自身的剛度強度不夠，是無法承擔這一重任的。

大尺寸高速葉輪機組，尤其是末級葉片的尺寸長，往往還存在葉冠，這使得高速旋轉工況下葉片受到離心力較大，長期工作存在斷裂的風險。

末級葉片模型[2]

大尺寸葉片的高速旋轉破壞試驗，受限于設備和尺寸，一般難以開展。因此仿真成了評估葉片結構安全的首選。

仿真思路

目前，對于末葉片的失效分析一般采用強度校核方法，即通過仿真得到模型中的最大應力，然后根據材料的屈服或極限強度來完成強度校核。然而由于末葉片中葉片與葉根的過渡區域、葉片與葉冠之間的過渡區域、相鄰葉冠之間的接觸區域等位置結構復雜，經過網格離散處理后均會存在一定的應力集中，會在局部單元出現“假性”的大應力結果，嚴重影響校核結果的真實性。

針對上述問題，筆者引入漸進損傷的方法研究末級葉片的失效。

(1) 將結構的總外載荷分為n級進行逐級加載；

(2) 每級加載完成后，基于失效判據對所有單元進行校核。如果單元發生破壞，將該單元材料性能折減為一個小值；

(3) 繼續加載，當失效單元達到一定數量時，結構不具備繼續承載的能力，此時仿真結果發散或載荷-位移曲線出現明顯突變，表明結構失效。

將漸進損傷方法與葉片材料彈塑性本構相結合，在ABAQUS UMAT子程序中進行材料本構的定義，UMAT子程序[2]邏輯如下圖所示。

本構模型

對于金屬材料，我們需要在本構模型中考慮彈塑性、漸進失效行為。

采用各向同性硬化彈塑性模型來模擬材料的彈塑性行為，具體使用的J-C（Johnson-Cook）屈服模型。

采用2個判據進行單元失效判斷，滿足其中一個判據即認為單元失效：（1）應力判據，當應力大于材料破壞應力時，認為單元失效；（2）應變判據，當應變大于材料極限應變時，認為單元失效。

在完成結構仿真后，通過后處理采用如下判據進行結構失效判斷，最終失效載荷應取3種原則所得數據的保守值：（1）失效單元數量突增；（2）載荷位移曲線出現明顯拐點；（3）失效引起仿真迭代發散。

結果

統計了失效單元變化趨勢與以及載荷位移曲線拐點，取保守的載荷位移曲線拐點作為失效點。

 后處理統計[2]

失效區域預測如下，失效部位主要集中在根部區域。對照國外類似構型的試驗，失效區域位置的預測還是比較準的。

仿真的失效區域[2]

國外試驗[3]

[1] https://k.sina.cn/article_5501440086_147e95056001013yb3.html

[2] 《壓縮空氣儲能系統膨脹機末級葉片特殊邊界處理與失效分析》

[3] Corrosion-Fatigue Failure of Gas-Turbine Blades in an Oil and Gas Production Plant

 

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