CN107991200A - 一种钛合金叶轮的疲劳寿命预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种钛合金叶轮的疲劳寿命预测方法，包括：步骤(1)叶轮仿真中的主要参数选择；步骤(2)流固耦合下的叶轮静态结构强度分析；步骤(3)流固耦合下的叶轮动态结构强度分析；步骤(4)叶轮仿真载荷谱的处理；步骤(5)钛合金叶轮疲劳寿命预测，本发明能够准确预测钛合金叶轮的疲劳寿命。本发明针对钛合金叶轮载荷工况，提出的疲劳寿命预测模型更为精确，能够适应超高寿命的疲劳预测。

Description

一种钛合金叶轮的疲劳寿命预测方法
技术领域
本发明涉及疲劳寿命预测的技术领域，具体涉及一种钛合金叶轮的疲劳寿命预测方法，适用于钛合金材料的回转类工作零件的疲劳寿命预测。
背景技术
近年来，随着航空技术的发展，各种高性能涡轮轴发动机的应用越来越广泛，而随之而来的发动机叶片共振、震颤、疲劳断裂等问题日渐凸显，占到发动机故障的60％。目前，国内航空发动机传动生产企业引进国外先进生产加工设备，已经可以加工出满足设计图纸的航空发动机叶轮，初步具备航空发动机叶轮的批量生产能力。但是，由于叶轮其结构及形面复杂、加工精度要求高、材料难去除以及机械加工空间有限等原因，而且国内航空发动机传动生产企业缺乏一定的加工理论技术作为指导，国产航空发动机叶轮的抗振抗疲劳性能指标远远落后与国外水平。因此，高性能的发动机叶轮在设计及制造过程中，急切的需要一种准确的疲劳寿命预测方法来指导叶轮的设计和制造。
发明内容
本发明主要解决的技术问题为：现今，航空发动机叶轮设计制造中采用的寿命预测方法仍为有限寿命方法和无限寿命方法，远远不能满足航空发动机的设计制造需求，本发明针对钛合金材料，结合发动机叶轮工况特点和材料特性，提出了一种适用于钛合金材料的叶轮疲劳寿命预测方法，能够为现在的发动机叶轮设计制造提供依据。
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种钛合金叶轮的疲劳寿命预测方法，其方法流程如下：
步骤(1)、叶轮仿真中的主要参数选择；
步骤(2)、流固耦合下的叶轮静态结构强度分析；
步骤(3)、流固耦合下的叶轮动态结构强度分析；
步骤(4)、叶轮仿真载荷谱的处理；
步骤(5)、钛合金叶轮疲劳寿命预测。
进一步的、所述步骤(1)中需要确定的仿真参数为加叶轮工作温度t(℃)、工作转速v(RPM)、进口流量m(kg/s)、出口压力a(Mpa)以及钛合金的弹性模量E、泊松比υ。
进一步的、所述步骤(2)需要进行流固耦合下的叶轮静态结构强度分析，选取叶轮中应力最大的点作为疲劳载荷监测点。
进一步的、所述步骤(3)需要进行流固耦合下的叶轮动态结构强度分析，提取疲劳载荷检测点的应力变化曲线作为叶轮的疲劳载荷谱。
进一步的、所述步骤(4)需要把叶轮疲劳载荷谱通过雨流法整理出整个历程中所有大小的完整应力循环，并进行分类。
进一步的、所述步骤(5)中各应力循环对应的疲劳寿命计算公式为：
其中Ni表示第i个应力所对应的循环次数，δa表示各应力循环对应的应力幅值，R表示各应力循环对应的应力比，β＝0.2579，λ＝0.005，μ＝E/2(1+υ)。
进一步的、所述步骤(5)中叶轮寿命的计算公式为：
其中N表示钛合金叶轮的疲劳寿命，Ni表示第i个应力所对应的循环次数，n表示雨流法整理出的完整应力循环的个数。
本发明的原理：通过流固耦合方法确定叶轮疲劳载荷，使用建立的钛合金寿命预测模型进行叶轮疲劳寿命预测。
本发明与现有技术相比的有益效果是：首先，提供了一套完整、可靠的寿命预测流程；其次，本发明针对钛合金叶轮载荷工况，提出的疲劳寿命预测模型更为精确，能够适应超高寿命的疲劳预测。本发明可操作性强、精确度高，只需经过仿真分析和数据计算，即可得到接近真实寿命的钛合金叶轮寿命，为钛合金材料的叶轮的设计和制造提供可靠的数据支撑。
附图说明
图1为本发明的一种钛合金叶轮的疲劳寿命预测方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
本发明提供一种钛合金叶轮的疲劳寿命预测方法，其方法流程如下：
步骤(1)、叶轮仿真中的主要参数选择；
所述步骤(1)中需要确定的仿真参数为加叶轮工作温度t(℃)、工作转速v(RPM)、进口流量m(kg/s)、出口压力a(Mpa)以及钛合金的弹性模量E(Gpa)、泊松比υ。
步骤(2)、流固耦合下的叶轮静态结构强度分析；
所述步骤(2)需要进行流固耦合下的叶轮静态结构强度分析，选取叶轮中应力最大的点作为疲劳载荷监测点。
步骤(3)、流固耦合下的叶轮动态结构强度分析；
所述步骤(3)需要进行流固耦合下的叶轮动态结构强度分析，提取疲劳载荷检测点的应力变化曲线作为叶轮的疲劳载荷谱。
步骤(4)、叶轮仿真载荷谱的处理；
所述步骤(4)需要把叶轮疲劳载荷谱通过雨流法整理出整个历程中所有大小的完整应力循环，并进行分类。
步骤(5)、钛合金叶轮疲劳寿命预测。
所述步骤(5)中各应力循环对应的疲劳寿命计算公式为：
其中Ni表示第i个应力所对应的循环次数，δa表示各应力循环对应的应力幅值，R表示各应力循环对应的应力比，β＝0.2579，λ＝0.005，μ＝E/2(1+υ)。
所述步骤(5)中叶轮寿命的计算公式为：
其中N表示钛合金叶轮的疲劳寿命，Ni表示第i个应力所对应的循环次数，n表示雨流法整理出的完整应力循环的个数。
实施例1
下面以某发动机叶轮为例，具体说明本发明方法，但本发明的保护范围不限于下述实例：
步骤(1)，确定的仿真参数为加叶轮工作温度t(℃)、工作转速v(RPM)、进口流量m(kg/s)、出口压力a(Mpa)以及钛合金的弹性模量E、泊松比υ，具体数据如表1所示：
表1仿真主要参数
步骤(2)，进行流固耦合下的叶轮静态结构强度分析，找出叶轮应力最大值对应的节点编号为19149。
步骤(3)，进行流固耦合下的叶轮动态结构强度分析，提取19149号节点所对用的疲劳载荷谱，具体数据如表2所示：
表2疲劳载荷谱
步骤(4)把叶轮疲劳载荷谱通过雨流法整理出整个历程中所有大小的完整应力循环，并进行分类，具体数据如表3所示：
表3处理后的疲劳载荷
步骤(5)根据疲劳寿命计算公式计算各循环应力所对应的疲劳寿命，数据如下：
表4各载荷对应的疲劳寿命
最终疲劳寿命预测结果：

Claims (7)

1.一种钛合金叶轮的疲劳寿命预测方法，其特征在于，该方法步骤如下：
步骤(1)、叶轮仿真中的主要参数选择；
步骤(2)、流固耦合下的叶轮静态结构强度分析；
步骤(3)、流固耦合下的叶轮动态结构强度分析；
步骤(4)、叶轮仿真载荷谱的处理；
步骤(5)、钛合金叶轮疲劳寿命预测。
2.根据权利要求1所述钛合金叶轮的疲劳寿命预测方法，其特征在于：所述步骤(1)中需要确定的仿真参数为加叶轮工作温度t(℃)、工作转速v(RPM)、进口流量m(kg/s)、出口压力a(Mpa)以及钛合金的弹性模量E、泊松比υ。
3.根据权利要求1所述钛合金叶轮的疲劳寿命预测方法，其特征在于：所述步骤(2)需要进行流固耦合下的叶轮静态结构强度分析，选取叶轮中应力最大的点作为疲劳载荷监测点。
4.根据权利要求1所述钛合金叶轮的疲劳寿命预测方法，其特征在于：所述步骤(3)需要进行流固耦合下的叶轮动态结构强度分析，提取疲劳载荷检测点的应力变化曲线作为叶轮的疲劳载荷谱。
5.根据权利要求1所述钛合金叶轮的疲劳寿命预测方法，其特征在于：所述步骤(4)需要把叶轮疲劳载荷谱通过雨流法整理出整个历程中所有大小的完整应力循环，并进行分类。
6.根据权利要求1所述钛合金叶轮的疲劳寿命预测方法，其特征在于：所述步骤(5)中各应力循环对应的疲劳寿命计算公式为：
<mrow> <msub> <mi>N</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <msup> <mrow> <mo>{</mo> <mn>0.0051</mn> <mo>*</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mo>(</mo> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>R</mi> </mrow> <mo>)</mo> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> <msup> <mo>)</mo> <mi>&amp;beta;</mi> </msup> </mrow> <msub> <mi>&amp;delta;</mi> <mi>a</mi> </msub> </mfrac> <msup> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <mn>32</mn> <msup> <mi>&amp;mu;</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mrow> <mi>&amp;lambda;</mi> <mi>&amp;pi;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>&amp;upsi;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>/</mo> <mn>2</mn> </mrow> </msup> <mo>}</mo> </mrow> <mn>23.3</mn> </msup> </mrow>
其中Ni表示第i个应力所对应的循环次数，δa表示各应力循环对应的应力幅值，R表示各应力循环对应的应力比，β＝0.2579，λ＝0.005，μ＝E/2(1+υ)。
7.根据权利要求1所述钛合金叶轮的疲劳寿命预测方法，其特征在于：所述步骤(5)中叶轮寿命的计算公式为：
<mrow> <mi>N</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mn>1</mn> <mi>n</mi> </munderover> <mfrac> <mn>1</mn> <msub> <mi>N</mi> <mi>i</mi> </msub> </mfrac> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中N表示钛合金叶轮的疲劳寿命，Ni表示第i个应力所对应的循环次数，n表示雨流法整理出的完整应力循环的个数。
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