用于预测材料服役性能的模拟件设计与优化一体化方法

技术领域

本发明属于金属材料性能测试技术领域，具体涉及一种用于预测材料服役性能的模拟件设计与优化一体化方法。

背景技术

材料的疲劳是一种结构在循环载荷作用下出现失效的现象，即使材料受到的应力远低于材料的静态强度，也可能会发生这种类型的结构损伤。疲劳是造成机械结构失效最常见的原因，学术界与工程界对疲劳展开了大量的研究，进展飞速。由于现代工业的蓬勃发展，工程结构所处的实际使用环境日趋复杂，仍然采用常规的疲劳破坏理论和标准材料试验数据已难以精确地估算结构的疲劳寿命，或者无法解释工程上某些结构疲劳破坏问题。

在航空发动机的零部件上具有多个几何不连续部位，通常这些部位存在应力集中，在高温、高压和高转速等高负荷疲劳载荷下，均可能发生疲劳失效，严重影响航空发动机的结构完整性。关键零部件的疲劳试验和寿命评估是航空发动机零部件安全性和可靠性评价的重要研究内容，但是这些零部件存在制造成本高、考核部位多、试验系统复杂和试验费用昂贵等问题，如果仅采用材料手册或标准试样获得的数据，很难直观的反应真实的受力状态。在航空发动机零部件寿命评估方法及试验考核局部应力状态方面，采用真实构件的模拟试验件进行试验，可以弥补零部件试验成本高、试验件少的不足。开展能够反映真实构件局部应力状态的模拟件疲劳试验，具有重要的工程价值，但是基于结构特征和应力应变分布设计的模拟试验件往往结构尺寸较为奇异，材料取样和加工制备存在困难和风险，因此考虑材料特点和机加工工艺特点的模拟机设计与优化就显得尤为重要。

申请公布号为CN115146511A的发明专利公开了一种用于薄壁高阶次振动疲劳试验的试样设计方法，包括以下步骤：获取待测试样材料的固有属性数据；选择待模拟工件的受力状态、振动阶次和待测试样的初始尺寸；通过受力状态对待测试样拟定初始试验阶次；确定待测试样的特定位置；在特定位置添加理想化质点，利用有限元软件对理想化质点进行模态分析和带阻尼系数的谐波响应分析，得到待测试样的理想振型、理想固有频率和最大应力处的理想应力值；确定振动试验台的加速度和频率；根据固有属性数据、特定位置、质量和形状，将理想化质点实体化，利用有限元软件对实体化质点进行模态分析和谐波响应分析，得到待测试样的近似振型、近似频率和近似应力值，判定试样是否满足要求。

申请公布号为CN115169188A的发明专利公开了一种基于有限元模态分析的钛合金振动疲劳试样的设计方法，包括以下步骤：获取振动疲劳试样材料的固有属性数据，振动疲劳试样采用钛合金材料；选择振动疲劳试样在模拟工况下的受力状态和振动阶次并确定振动疲劳试样的初始尺寸；基于受力状态、振动阶次和初始尺寸，通过有限元软件根据固有属性数据模拟计算得到振动疲劳试样的固有频率、振型和相对应力；通过振动疲劳试验机对振动疲劳试样的频率和应力进行测试，得到真实频率和真实应力；通过比较固有频率与真实频率、相对应力与真实应力，确定振动疲劳试样是否满足需求。

上述两项技术方案仅对试件的结构进行了设计与优化，没有考虑材料特点和机加工工艺特点，在批量生产试件时不能保证同一批次试件的表面状态、尺寸公差等均与设计要求保持一致，设计的准确性和可靠性有待提高。因此，需要开发一种用于预测材料服役性能的模拟件设计与优化一体化方法，该一体化方法考虑了模拟件的结构特点与材料特点和机加工工艺特点之间的相互协调作用，以解决现有技术存在的问题。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于预测材料服役性能的模拟件设计与优化一体化方法，按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：根据待模拟工件的真实情况，获取待模拟工件材料的固有属性数据；将获取的待模拟工件材料的固有属性数据导入有限元模拟仿真软件中，并利用有限元模拟仿真软件对待模拟工件进行受力状态分析，计算得到待模拟工件的应力应变分布；

步骤二：根据要预测的材料服役性能，分析与该材料服役性能相关的标准，获取按照标准设计的试样结构形式和试样受力状态；根据与要预测的材料服役性能相关的标准，设计包含结构特征及其尺寸的模拟件模型；

步骤三：基于模拟件模型，利用有限元模拟仿真软件对模拟件进行受力状态分析，计算得到模拟件的应力应变分布，并与步骤一得到的待模拟工件的应力应变分布进行对比；

步骤四：根据应力应变分布的对比结果进行判断，若模拟件的应力应变分布与待模拟工件的应力应变分布一致，则结束模拟件模型的设计；若模拟件的应力应变分布与待模拟工件的应力应变分布不一致，则根据与要预测的材料服役性能相关的标准重新设计模拟件模型；

步骤五：基于重新设计的模拟件模型，利用有限元模拟仿真软件对模拟件进行受力状态分析，计算得到模拟件的应力应变分布，并与步骤一得到的待模拟工件的应力应变分布进行对比；

步骤六：重复步骤四和步骤五，直至模拟件的应力应变分布与待模拟工件的应力应变分布一致，即可完成模拟件模型的设计；

步骤七：根据所设计的模拟件模型制作模拟件，并对其进行相应的材料服役性能测试试验，得到模拟件的材料服役性能测试结果；同时对待模拟工件进行相应的材料服役性能测试试验，得到待模拟工件的材料服役性能测试结果；

步骤八：将模拟件的材料服役性能测试结果与待模拟工件的材料服役性能测试结果进行对比，若模拟件的疲劳失效位置和疲劳失效方式与待模拟工件的疲劳失效位置和疲劳失效方式一致，则结束模拟件的设计；若模拟件的疲劳失效位置和疲劳失效方式与待模拟工件的疲劳失效位置和疲劳失效方式不一致，则根据与要预测的材料服役性能相关的标准重新设计模拟件模型；

步骤九：重复步骤五至步骤八，直至模拟件的疲劳失效位置和疲劳失效方式与待模拟工件的疲劳失效位置和疲劳失效方式一致，即可完成模拟件的设计；

步骤十：根据所设计模拟件的结构特点、材料特点和机加工工艺特点，综合考虑三者之间的相互协同作用，进一步优化模拟件，确保同一批次制备的模拟件具有相同的尺寸公差和表面粗糙度；

步骤十一：基于优化后的模拟件模型，利用有限元模拟仿真软件对模拟件进行受力状态分析，计算得到模拟件的应力应变分布，并与步骤一得到的待模拟工件的应力应变分布进行对比；步骤十二：根据应力应变分布的对比结果进行判断，若模拟件的应力应变分布与待模拟工件的应力应变分布一致，则结束模拟件模型的优化；若模拟件的应力应变分布与待模拟工件的应力应变分布不一致，则根据与要预测的材料服役性能相关的标准重新优化模拟件模型；

步骤十三：重复步骤十一和步骤十二，直至模拟件的应力应变分布与待模拟工件的应力应变分布一致，即可完成模拟件模型的优化；

步骤十四：根据所优化的模拟件模型制作模拟件，并对其进行相应的材料服役性能测试试验，得到模拟件的材料服役性能测试结果；同时对待模拟工件进行相应的材料服役性能测试试验，得到待模拟工件的材料服役性能测试结果；

步骤十五：将模拟件的材料服役性能测试结果与待模拟工件的材料服役性能测试结果进行对比，若模拟件的疲劳失效位置和疲劳失效方式与待模拟工件的疲劳失效位置和疲劳失效方式一致，则结束模拟件的优化；若模拟件的疲劳失效位置和疲劳失效方式与待模拟工件的疲劳失效位置和疲劳失效方式不一致，则根据与要预测的材料服役性能相关的标准重新优化模拟件模型；

步骤十六：重复步骤十一至步骤十五，直至模拟件的疲劳失效位置和疲劳失效方式与待模拟工件的疲劳失效位置和疲劳失效方式一致，即可完成用于预测材料服役性能的模拟件设计与优化。

优选的是，步骤一中，所述待模拟工件为航空发动机叶盘上的零件，所述待模拟工件的材料为金属材料，所述固有属性数据包括材料的密度、强度、弹性模量和泊松比中的任一种或几种。

在上述任一方案中优选的是，步骤二中，所述标准为国标、美标和行标中的任一种或几种，所述结构特征包括小孔、倒角、缺口、过渡圆弧、倾斜角、扇形和圆环中的任一种或几种。

在上述任一方案中优选的是，步骤十中，所述材料特点包括材料的导电性、导热性、磁性、脆性、韧性和可磨削性中的任一种或几种，所述机加工工艺特点包括刀具做旋转运动、进给运动和磨削运动中的任一种或几种。

在上述任一方案中优选的是，所述材料服役性能包括材料的振动疲劳性能、低周疲劳性能和高周疲劳性能中的任一种或几种。

在上述任一方案中优选的是，所述有限元模拟仿真软件包括Abaqus、Ansys、MSC.Marc和isight中的任一种或几种。

在上述任一方案中优选的是，利用有限元模拟仿真软件对待模拟工件和模拟件进行受力状态分析，所采用的分析方法包括线弹性力学分析方法、弹塑性力学分析方法、动力学分析方法、热力学分析方法、模态分析方法和谐波响应分析方法中的任一种或几种。

在上述任一方案中优选的是，利用有限元模拟仿真软件对待模拟工件和模拟件进行受力状态分析，所述受力状态包括弹性应力、弹性应变、塑性应力、塑性应变和应力应变分布中的任一种或几种。

本发明中，在设计完模拟件结构后，需要进一步结合模拟件的结构特点、材料特点和机加工工艺特点对所设计的模拟件结构进行优化，确保同一批次制备的各模拟件能达到相同的表面粗糙度和/或尺寸公差，但可能由于模拟件工作段上某个方向的尺寸较小，同时模拟件的材料本身没有磁性，所以无法利用磁吸夹持进行机加工处理，只能通过人工手动进行抛光处理，而手动抛光又无法实现同一批次中各模拟件的表面粗糙度和/或尺寸公差达到准确一致，因此需要综合考虑模拟件的结构特点、材料特点和机加工工艺特点对模拟件进行优化，使模拟件的夹持段与过渡段在厚度方向上保持齐平，进而使加工刀具可纵向进给，实现同一批次中各模拟件的工作段表面粗糙度和/或尺寸公差达到均匀、一致。

本发明中，结合模拟件的结构特点、材料特点和机加工工艺特点，对涉及到的加工工艺流程进行设计和合理优化，使得模拟件的表面状态和尺寸公差等能够满足设计要求和均匀一致性。对优化得到的模拟件利用有限元模拟仿真软件进行结构力学分析，根据材料试验台的性能条件，结合受力状态、应力应变分布和材料失效部位，判定模拟件是否满足要求。当材料试验台能在应力应变状态下使得模拟件达到要求的受力状态，且材料失效部位与待模拟工件保持一致，则模拟件满足试验要求，否则不满足要求，对不满足要求的模拟件进行有限元模拟仿真计算和结构尺寸修正，并重复材料性能试验，直到模拟件满足要求。

本发明的用于预测材料服役性能的模拟件设计与优化一体化方法，通过理论计算、标准试样对比分析和有限元结构力学分析，设计满足待模拟工件结构特征部位的模拟件，并结合材料特点和机加工工艺特点对模拟件结构进行优化，从而达到成本较低的模拟件设计与优化要求，提高承力结构材料性能考核的准确性。

附图说明

图1为按照本发明用于预测材料服役性能的模拟件设计与优化一体化方法的一优选实施例的流程图；

图2为图1所示实施例的步骤一中待模拟工件的应力应变分布云图；

图3为图1所示实施例的步骤二中按照标准设计的试样结构图，该试样为按照航空行业标准HB 5277-2021《发动机叶片及材料振动疲劳试验方法》设计的振动疲劳试样；

图4为图1所示实施例的步骤九中获得的模拟件的结构图；

图5为图1所示实施例的步骤十六中获得的模拟件的应力应变分布云图。

图中标注说明：1-夹持段，2-过渡段，3-工作段。

具体实施方式

为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例详细阐述本发明。

如图1所示，按照本发明用于预测材料服役性能的模拟件设计与优化一体化方法的一优选实施例，按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：根据待模拟工件的真实情况，获取待模拟工件材料的固有属性数据；将获取的待模拟工件材料的固有属性数据导入有限元模拟仿真软件中，并利用有限元模拟仿真软件对待模拟工件进行受力状态分析，计算得到待模拟工件的应力应变分布；

步骤二：根据要预测的材料服役性能，分析与该材料服役性能相关的标准，获取按照标准设计的试样结构形式和试样受力状态；根据与要预测的材料服役性能相关的标准，设计包含结构特征及其尺寸的模拟件模型；

步骤三：基于模拟件模型，利用有限元模拟仿真软件对模拟件进行受力状态分析，计算得到模拟件的应力应变分布，并与步骤一得到的待模拟工件的应力应变分布进行对比；

步骤四：根据应力应变分布的对比结果进行判断，若模拟件的应力应变分布与待模拟工件的应力应变分布一致，则结束模拟件模型的设计；若模拟件的应力应变分布与待模拟工件的应力应变分布不一致，则根据与要预测的材料服役性能相关的标准重新设计模拟件模型；

步骤五：基于重新设计的模拟件模型，利用有限元模拟仿真软件对模拟件进行受力状态分析，计算得到模拟件的应力应变分布，并与步骤一得到的待模拟工件的应力应变分布进行对比；

步骤六：重复步骤四和步骤五，直至模拟件的应力应变分布与待模拟工件的应力应变分布一致，即可完成模拟件模型的设计；

步骤七：根据所设计的模拟件模型制作模拟件，并对其进行相应的材料服役性能测试试验，得到模拟件的材料服役性能测试结果；同时对待模拟工件进行相应的材料服役性能测试试验，得到待模拟工件的材料服役性能测试结果；

步骤八：将模拟件的材料服役性能测试结果与待模拟工件的材料服役性能测试结果进行对比，若模拟件的疲劳失效位置和疲劳失效方式与待模拟工件的疲劳失效位置和疲劳失效方式一致，则结束模拟件的设计；若模拟件的疲劳失效位置和疲劳失效方式与待模拟工件的疲劳失效位置和疲劳失效方式不一致，则根据与要预测的材料服役性能相关的标准重新设计模拟件模型；

步骤九：重复步骤五至步骤八，直至模拟件的疲劳失效位置和疲劳失效方式与待模拟工件的疲劳失效位置和疲劳失效方式一致，即可完成模拟件的设计；

步骤十：根据所设计模拟件的结构特点、材料特点和机加工工艺特点，综合考虑三者之间的相互协同作用，进一步优化模拟件，确保同一批次制备的模拟件具有相同的尺寸公差和表面粗糙度；

步骤十一：基于优化后的模拟件模型，利用有限元模拟仿真软件对模拟件进行受力状态分析，计算得到模拟件的应力应变分布，并与步骤一得到的待模拟工件的应力应变分布进行对比；步骤十二：根据应力应变分布的对比结果进行判断，若模拟件的应力应变分布与待模拟工件的应力应变分布一致，则结束模拟件模型的优化；若模拟件的应力应变分布与待模拟工件的应力应变分布不一致，则根据与要预测的材料服役性能相关的标准重新优化模拟件模型；

步骤十三：重复步骤十一和步骤十二，直至模拟件的应力应变分布与待模拟工件的应力应变分布一致，即可完成模拟件模型的优化；

步骤十四：根据所优化的模拟件模型制作模拟件，并对其进行相应的材料服役性能测试试验，得到模拟件的材料服役性能测试结果；同时对待模拟工件进行相应的材料服役性能测试试验，得到待模拟工件的材料服役性能测试结果；

步骤十五：将模拟件的材料服役性能测试结果与待模拟工件的材料服役性能测试结果进行对比，若模拟件的疲劳失效位置和疲劳失效方式与待模拟工件的疲劳失效位置和疲劳失效方式一致，则结束模拟件的优化；若模拟件的疲劳失效位置和疲劳失效方式与待模拟工件的疲劳失效位置和疲劳失效方式不一致，则根据与要预测的材料服役性能相关的标准重新优化模拟件模型；

步骤十六：重复步骤十一至步骤十五，直至模拟件的疲劳失效位置和疲劳失效方式与待模拟工件的疲劳失效位置和疲劳失效方式一致，即可完成用于预测材料服役性能的模拟件设计与优化。

本实施例中，要预测的材料服役性能为振动疲劳性能，所采用的有限元模拟仿真软件为Ansys，所采用的分析方法为线弹性力学分析方法、弹塑性力学分析方法和模态分析方法等，主要分析待模拟工件和模拟件的应力应变分布状态。材料特点包括材料的导电性、导热性、磁性、脆性、韧性和可磨削性等，机加工工艺特点包括刀具做旋转运动、进给运动和磨削运动等。

步骤一中，所述待模拟工件为航空发动机叶盘上的叶片，所述待模拟工件的材料为TC4钛合金，所述固有属性数据包括TC4钛合金的密度ρ＝4.530×10

步骤二中，与振动疲劳性能相关的标准为航空行业标准HB 5277-2021《发动机叶片及材料振动疲劳试验方法》，按照该标准设计的试样结构如图3所示，同时获取标准材料试验数据为一阶振动疲劳，受力模式为一弯受力。

本实施例中，标准材料试验数据为一阶振动疲劳，与待模拟工件实际的三阶振动疲劳失效阶次不符，需要重新对模拟件进行设计，直至模拟件的应力应变分布、疲劳失效位置和疲劳失效方式与待模拟工件的应力应变分布、疲劳失效位置和疲劳失效方式一致。直到步骤九结束，获得了满足设计要求的模拟件，模拟件结构如图4所示，该模拟件包括夹持段1、过渡段2和工作段3。

本实施例所设计的模拟件，其表面粗糙度要求达到Ra0.4的水平，但由于工作段3的横向尺寸较小，同时TC4钛合金材料本身没有磁性，无法利用磁吸夹持通过磨床进行加工，只得通过人工手动抛光的方式处理，但是手动抛光无法实现同一批次各模拟件的表面粗糙度准确一致，因此需要对所设计的模拟件进行优化，将夹持段1和过渡段2在厚度方向上齐平，使得磨床磨头可纵向进给，实现工作段3的表面粗糙度要求和批次间的均匀性。

本实施中，结合模拟件的结构特点、材料特点和机加工工艺特点对前期设计的模拟件进行后续优化是实现同一批次中各模拟件工作段表面粗糙度和/或尺寸公差达到均匀、一致的关键所在。本实施例最终获得的用于预测材料振动疲劳性能的模拟件的应力应变分布如图5所示。

本发明的用于预测材料服役性能的模拟件设计与优化一体化方法，通过理论计算、标准试样对比分析和有限元结构力学分析，设计满足待模拟工件结构特征部位的模拟件，并结合材料特点和机加工工艺特点对模拟件结构进行优化，从而达到成本较低的模拟件设计与优化要求，提高承力结构材料性能考核的准确性。

特别说明：本发明的技术方案中涉及了诸多参数，需要综合考虑各个参数之间的协同作用，才能获得本发明的有益效果和显著进步。而且技术方案中各个参数的取值范围都是经过大量试验才获得的，针对每一个参数以及各个参数的相互组合，发明人都记录了大量试验数据，限于篇幅，在此不公开具体试验数据。

本领域技术人员不难理解，本发明的用于预测材料服役性能的模拟件设计与优化一体化方法包括上述本发明说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。