韓清鵬 王嬌 魏春雨

(1．遼寧科技大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，鞍山 114051)(2．東北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，沈陽 110819)

葉片－輪盤榫聯(lián)結(jié)構(gòu)的接觸分析*

韓清鵬1?王嬌2魏春雨1

(1．遼寧科技大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，鞍山 114051)(2．東北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，沈陽 110819)

葉片與輪盤之間的榫聯(lián)結(jié)構(gòu)存在接觸和摩擦組合運(yùn)動，在較高的熱－機(jī)械載荷作用下容易發(fā)生微動磨損并導(dǎo)致疲勞破壞．本文采用有限元法對葉片－輪盤榫聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行接觸分析，計算不同摩擦系數(shù)和不同轉(zhuǎn)速情況下的葉片榫頭和輪盤榫槽之間的接觸壓力、接觸滑動距離．結(jié)果表明，摩擦系數(shù)增大，榫聯(lián)結(jié)構(gòu)接觸面上的接觸壓力和滑動距離減小;轉(zhuǎn)速增加，則接觸壓力和滑動距離增大．

葉片－輪盤， 榫聯(lián)結(jié)構(gòu)， 有限元法， 接觸分析

引言

渦輪機(jī)械中的葉片和輪盤之間的榫聯(lián)結(jié)構(gòu)，其接觸界面上的相互作用較為復(fù)雜，所產(chǎn)生的接觸疲勞、微動疲勞等問題容易導(dǎo)致構(gòu)件損傷和破壞［1－3］．

目前針對葉片－輪盤榫聯(lián)結(jié)構(gòu)的接觸分析是工程領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)．文獻(xiàn)［4］應(yīng)用有限元法和Amonton摩擦定律進(jìn)行了二維榫聯(lián)結(jié)構(gòu)的彈性分析．文獻(xiàn)［5］對比了二維榫聯(lián)結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力的有限元結(jié)果與光彈結(jié)果．文獻(xiàn)［6］完成了榫聯(lián)結(jié)構(gòu)的三維有限元彈性分析，比較了幾何參數(shù)(接觸區(qū)長度、接觸面傾角、榫頭圓角半徑等)和摩擦系數(shù)對接觸應(yīng)力的影響．文獻(xiàn)［7］較準(zhǔn)確地計算得到了燕尾形榫聯(lián)結(jié)構(gòu)高應(yīng)力梯度位置的接觸應(yīng)力分布．文獻(xiàn)［8］重點(diǎn)研究了圓弧/直線幾何形式下燕尾形榫聯(lián)結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力分布，討論了幾何參數(shù)對接觸區(qū)應(yīng)力改善的作用．另外，文獻(xiàn)［9－10］的結(jié)果都表明，榫聯(lián)結(jié)構(gòu)的接觸分析應(yīng)考慮斜榫槽的傾斜角和載荷的作用，對掌握接觸面微動磨損有參考價值．

利用三維CAD軟件和有限元法對葉片和輪盤及其榫聯(lián)部位進(jìn)行精細(xì)建模，計入真實(shí)葉型所特有的、由于離心力作用所引起的葉身彎矩和扭矩．在此基礎(chǔ)上，對比研究了轉(zhuǎn)速和摩擦系數(shù)對葉片－輪盤榫聯(lián)結(jié)構(gòu)接觸區(qū)接觸壓力和滑動距離的影響．

1 計算模型

葉片－輪盤榫聯(lián)結(jié)構(gòu)的示意圖如圖1所示，這是一個24個葉片的周期對稱結(jié)構(gòu)，圖示部分即為15°扇區(qū)．兩部分的材料均為鈦合金Ti－6A－4V，彈性模量為 E=110GPa，泊松比為0．3，密度為 ρ=4．5g/cm3．

圖1 葉片－輪盤榫聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 Dovetail attachment of blade－disc structure

采用ANSYS中的ICEM模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到質(zhì)量較高的六面體網(wǎng)格，如圖2所示，兩部分的三維實(shí)體均選擇Solid185單元．該有限元模型的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為51300個，單元數(shù)為45300個;接觸區(qū)節(jié)點(diǎn)數(shù)為3720個，單元數(shù)為3162個，接觸區(qū)長度設(shè)為11．7mm．

圖2 葉片－輪盤榫聯(lián)結(jié)構(gòu)的精細(xì)有限元模型Fig．2 Fine finite element analysis model of dovetail attachment of blade－disc system

在相接觸的兩個表面上分別添加三維8節(jié)點(diǎn)面－面接觸單元 Conta174和三維目標(biāo)單元Targe170．接觸剛度(相對于基體單元剛度的比例因子)設(shè)為FKN=1．0．所創(chuàng)建的非對稱接觸對如圖3所示．

圖3 榫聯(lián)結(jié)構(gòu)的兩部分非對稱接觸對Fig．3 Non symmetric pair of dovetail attachment

為了提高計算效率，可以采用在葉片－輪盤結(jié)構(gòu)的1/24模型．施加循環(huán)對稱邊界條件后即成為一個完整的盤片系統(tǒng)．?dāng)U展以后的有限元模型如圖4所示．

圖4 擴(kuò)展后的葉片－輪盤結(jié)構(gòu)Fig．4 Stretched blade－disc structure

在葉片－輪盤榫聯(lián)結(jié)構(gòu)的接觸分析中，摩擦系數(shù)的變化范圍一般是 0．0 －1．5［11］．在這里分別取0．0、0．3、0．5、0．7、1．0 五種情況．載荷條件為不同轉(zhuǎn)速所形成的離心力，分別考慮了2500r/min、5000r/min、7500r/min和10031r/min四種情況．

2 計算結(jié)果

2．1 摩擦系數(shù)對接觸壓力和滑動距離的影響

當(dāng)轉(zhuǎn)速為10030r/min，摩擦系數(shù)分別為0，0．3，1．0時的計算結(jié)果如圖5所示．

圖5 不同摩擦系數(shù)下接觸面上接觸壓力和滑動距離的分布圖Fig．5 Distribution diagram of contact pressure and sliding distance under different friction coefficient

不同摩擦系數(shù)下得到的接觸壓力峰值都出現(xiàn)在接觸邊的底端，并且沿著接觸邊接觸壓力值逐漸的減小．隨著摩擦系數(shù)的增加，接觸壓力值逐漸降低，μ=0．0時的接觸壓力最大為 836．68MPa;μ=1．0 時，接觸壓力值最小為 339．55MPa．

隨著摩擦系數(shù)增加，接觸邊上的滑動距離逐漸減?。?0．0時的滑動距離值最大為0．20mm;μ=1．0時的滑動距離值最小為0．095mm．

2．2 轉(zhuǎn)速對接觸區(qū)接觸壓力和滑動距離的影響

設(shè)摩擦系數(shù)為0．3不變，對葉片－輪盤結(jié)構(gòu)施加不同的轉(zhuǎn)速，分別為2500r/min、5000 r/min、7500 r/min、10030 r/min，計算結(jié)果如圖6所示．

圖6 不同轉(zhuǎn)速下接觸邊上接觸壓力分布圖Fig．6 Distribution diagram of contact pressure under different rotational speed

如圖6(a)所示，接觸邊上接觸壓力隨轉(zhuǎn)速的增大而逐漸增大．當(dāng)轉(zhuǎn)速為2500r/min時，接觸壓力的峰值為33．568MPa．當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到10030r/min時接觸壓力最大值為541．142MPa．接觸壓力的峰值仍然出現(xiàn)在接觸邊底端．如圖6(b)所示，接觸邊上的滑動距離隨轉(zhuǎn)速的增大而逐漸增大．轉(zhuǎn)速為2500r/min時的滑動距離為 8．594μm，轉(zhuǎn)速達(dá)到10030r/min時，滑動距離值達(dá)到 138．634μm．滑動距離值在接觸邊上基本一致．

3 結(jié)論

由有限元法計算得到的葉片－輪盤榫聯(lián)結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力和滑動距離，在不同摩擦系數(shù)和不同轉(zhuǎn)速情況下表現(xiàn)出一定的規(guī)律．不同摩擦系數(shù)時的接觸壓力峰值均出現(xiàn)在接觸邊的底端，并且沿接觸邊逐漸減小．摩擦系數(shù)增加時接觸壓力逐漸降低，接觸邊上的滑動距離逐漸減?。S著轉(zhuǎn)速的增加，接觸區(qū)域的接觸壓力和滑動距離都逐漸增大．

1 何明鑒．機(jī)械構(gòu)件的微動疲勞．北京:國防工業(yè)出版社．1994(He Mingjian．Fretting fatigue of mechanical components．Beijing:National Defence Industry Press，1994(in Chinese))

2 古遠(yuǎn)興．高低周復(fù)合載荷下燕尾榫結(jié)構(gòu)微動疲勞壽命研究［博士學(xué)位論文］．南京:南京航空航天大學(xué)，2007(Gu Y X．Research on fretting fatigue life of dovetail joint under HCF－LCF load［PhD Thesis］．Nanjing:Nanjing U－niversity of Aeronautics ＆ Astronautics，2007(in Chinese))

3 劉道新，劉軍，劉元鏞．微動疲勞裂紋萌生位置及形成方式研究．工程力學(xué)，2007，24(3):42～47(Liu D X，Liu J，Liu Y Y．Study on nucleating location and formation of fretting fatigue cracks．Engineering Mechanics，2007，24(3):42～47(in Chiniese))

4 Boddington P H B，Chen K，Ruiz C．The numerical analysis of dovetail joints．Computer Structure，1985，20:731 ～735

5 Kenny B，Patterson E A，Said M，Aradhya K S S．Contact stress distributions in a turbine disk dovetail type joint－A comparison of photoelastic and finite element results．Strain，1991，27:21～24

6 Papanikos P，Meguid S A，Stjepanovic Z，Three－dimensional nonlinear finite element analysis of dovetail joints in aeroengine discs．Finite Element Analysis Design，1998，29:173～186

7 魏大盛，王延榮．榫聯(lián)結(jié)構(gòu)接觸面幾何構(gòu)形對接觸區(qū)應(yīng)力分布的影響．航空動力學(xué)報，2010，25(2):407～411(Wei D S，Wang Y R．Effects of profile of contact surfaces on the stress distribution for tenon jointing in blade disk assemblies．Journal of Aerospace Power，2010，25(2):407 ～411(in Chiniese))

8 魏大盛，王延榮．榫聯(lián)結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對接觸應(yīng)力的影響．推進(jìn)技術(shù)，2010，4:473～477(Wei D S，Wang Y R．Mortise and tenon joint structure geometry parameters on the contact stress．Journal of Propulsion Technology，2010，25(2):407～411(in Chiniese))

9 Anandavel K，Prakash R V．Effect of three－dimensional loading on macroscopic fretting aspects of an aero－engine blade－disc dovetailinterface．TribologyInternational，2010，44(11):1544～1555

10 Murthy H，Harish G，F(xiàn)arris T N．Efficient modeling of fretting ofblade/disc contactsincluding load history effects．ASME Journal of Tribology，2004，126:56～64

11 Ruiz C，Boddington P H B，Chen K．An investigation of fatigue and fretting in a dovetail joint．Experimental Mechanics，1984，24(3):208～217

*The project supported by the National Natural Science Foundation of China(10972192)andThe basic scientific research expenses funded project(N110603006)

? Corresponding author E－mail:han1011@163．com

CONTACT ANALYSIS OF DOVETAIL ATTACHMENT IN BLADED-DISC SYSTEM*

Han Qingpeng1?Wang Jiao2Wei Chunyu1
(1．College of Mechanical Engineering，Liaoning Science and Technology University，Anshan114051，China)(2．College of Mechanical Engineering，Northeast University，Shenyang110819，China)

Dovetail attachment is a typical structure of turbomachine connecting blades and disk(root－blade and slot－disk contact with each other)．Fretting wear and surface fatigue fracture tend to occur under higher thermal and vibration loads in dovetail attachment interface，where blade usually happens to fatal failure．FEA method was applied to solve the complexity of the contact interface stress of dovetail attachment．The contact pressure and contact slide distance of dovetail attachment were calculated under different friction coefficient and different rotational speed．The calculation shows that contact pressure and contact slide distance reduce as friction coefficient increases，and the contact pressure and contact slide distance enlarge as rotational speed increases．

bladed－disc， dovetail attachment， FEA， contact analysis

15 July 2012，

13 August 2012．

10．6052/1672－6553－2013－036

2012－07－05 收到第 1 稿，2012－08－13 收到修改稿．

*國家自然科學(xué)基金資助項目(10972192)和高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項目資助項目(N110603006)

E－mail:han1011@163．com