CN108363850A - 一种发动机受感部振动环境分析与试验载荷确定方法 - Google Patents

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Abstract

一种发动机受感部振动环境分析与试验载荷确定方法，包括：步骤一、对受感部进行静强度与疲劳强度计算分析；步骤二、选用耐温能力和频带范围满足发动机工作环境的振动传感器，将振动传感器安装在发动机能反映受感部最大振动响应的部位，获取振动的载荷数据；步骤三、受感部试验载荷的分析和统计处理；步骤四、受感部试验剖面的确定、合成与简化；步骤五、结合发动机在外场使用过程中的振动环境变化，对试验载荷进行修正；步骤六、按照修正后的试验载荷制定出疲劳试验载荷谱，选择受感部试验剖面开展疲劳试验，并以此试验结果给出受感部的安全寿命，指导受感部的设计和改型。本发明能够科学合理的确定产品安全寿命，提高产品使用的可靠性和经济性。

Description

一种发动机受感部振动环境分析与试验载荷确定方法
技术领域
本发明属于航空发动机测试技术，具体涉及一种发动机受感部振动环境分析与试验载荷确定方法，提出了适用于受感部产品寿命评估方案，由此能够给出受感部的安全寿命。
背景技术
航空发动机受感部是测量发动机不同截面位置温度、压力等参数的重要构件，由于大多数受感部直接由发动机机匣插入发动机内部，并且在悬臂状态下工作，受感部的可靠性显得尤为重要，特别是安装在发动机主流道中的受感部，其可靠性直接影响发动机整机试车的安全性。一台发动机从科研阶段到批量生产，需要大量的温度、压力等测试受感部，尤其是科研试车阶段，而受感部的设计和制作成本都很高，为了降低受感部的使用成本，必须给受感部一个合理的使用寿命，而现行的各类标准没有一项能够直接用于航空发动机受感部的寿命试验，受感部的寿命均制定的非常保守，远低于国外同类产品的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种发动机受感部振动环境分析与试验载荷确定方法，能够科学合理的确定产品安全寿命，提高产品使用的可靠性和经济性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：
步骤一、对受感部进行静强度与疲劳强度计算分析；
步骤二、选用耐温能力和频带范围满足发动机工作环境的振动传感器，将振动传感器安装在发动机能够反映受感部最大振动响应的部位，获取振动的载荷数据；
步骤三、受感部试验载荷的分析和统计处理；
步骤四、受感部试验剖面的确定、合成与简化；
步骤五、结合发动机在外场使用过程中的振动环境变化，对试验载荷进行修正；
步骤六、按照修正后的试验载荷制定出疲劳试验载荷谱，选择受感部试验剖面开展疲劳试验，并以此试验结果给出受感部的安全寿命，指导受感部的设计和改型。
所述的步骤一根据受感部设计要求及安装环境参数，采用有限元计算方法，通过建立受感部计算模型、受感部约束条件，计算出受感部最大应力及最大应力部位；
同时根据发动机各状态的转速，计算出受感部各状态下各阶次固有频率的激振频率裕度，并通过坎贝尔图给出共振点，确定受感部的性能。
步骤二中至少安装2个振动传感器进行3个不同方向的测量，进行多台份测试；受感部振动环境测量时涵盖发动机全工作转速、典型工作状态进行全频域测量并录取数据。
步骤三根据BS ISO12107标准的要求，样本量满足公式n＝lnα/ln(1-p)，α表示显著性水平，p表示失效概率，计算最少需要的样本量；根据受感部振动环境的频域特征划分频段。
步骤四中受感部试验剖面包括可靠性试验剖面、功能性试验剖面和耐久性试验剖面；
所述的可靠性试验剖面在已获得的各工况环境剖面基础上，根据各工况在全寿命周期内所占的停留时间比例，对各工况的加权系数进行计算，采用加权叠加方法合成得到全寿命周期的环境剖面，再依据振动应力简化基本规则对合成的环境剖面进行简化，保证各频段内的能量分布不变，由此得到可靠性试验所使用的疲劳试验载荷谱；所述的功能性试验剖面根据所有转速工况的环境剖面绘制包络线得到，依据振动应力简化基本规则对环境剖面进行简化，保证各频段内的能量分布不变，得到功能性试验所使用的疲劳试验载荷谱；所述的耐久性试验剖面基于振动损伤等效关系，对各个任务剖面的振动量值和持续时间进行处理，使之换算成单一任务剖面下的等效持续时间，并将各个任务阶段的等效时间相加，得到等效于整个寿命期振动疲劳的试验持续时间，给出耐久性试验所使用的疲劳试验载荷谱。
所述的步骤四中对受感部试验剖面简化时最多只使用5个振动量值，并删去环境剖面各阶段低于0.001g2/Hz的所有振动量值，使振动量值小于0.001g2/Hz的所有阶段均采用0.001g2/Hz，再确定其他阶段振动量值的加权平均值，并将其应用于试验剖面。
所述的步骤五中结合发动机内外场的振动测试数据获得统计极限值，然后对比同类型发动机的振动限制值，确定发动机不同安装位置的振动限制值，确定修正系数对试验载荷修正。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：将发动机整机振动特征理论分析与实测振动数据特征分析相结合，通过受感部试验载荷的分析和统计处理以及受感部试验剖面的确定、合成与简化，制定出受感部疲劳试验载荷谱，提出适用于受感部产品寿命考核的试验方案以及基于统计理论的寿命评估方法，最终科学合理的给出试验受感部的安全寿命。本发明弥补了受感部振动试验载荷确定的不科学性，能准确反映发动机实际振动环境，实现受感部产品振动载荷的定量描述，具有良好的通用性和实用性，提高了产品使用的可靠性和经济性。
附图说明
图1本发明发动机受感部振动环境测试系统框图；
图2本发明受感部振动环境的频域特征示意图；
图3本发明受感部可靠性试验载荷谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明的发动机受感部振动环境分析与试验载荷确定方法，包括以下步骤：
一、对受感部进行静强度与疲劳强度计算分析。根据受感部设计要求及其安装部位的温度及压力等参数，利用有限元计算方法，通过建立受感部计算模型、受感部约束条件，计算出受感部最大应力及最大应力部位。同时根据发动机各状态的转速计算出受感部各状态下各阶次固有频率的激振频率裕度，并通过坎贝尔图给出共振点，确定受感部的性能。
二、振动载荷数据的获取。通过粘贴示温片和涂抹示温漆的方式，对受感部所在发动机部位温度进行测量，选用耐温能力和频带范围满足发动机工作环境的振动传感器，将传感器安装在能反映受感部最大振动响应的部位。考虑发动机个体振动差异性以及同一台发动机不同截面位置的差异性，应至少安装2个传感器进行3个不同方向测量，并应进行多台份测试。受感部振动环境测量，应涵盖发动机全工作转速、典型工作状态进行全频域测量并录取数据；振动环境测量的试车程序一般从低状态到高状态再到低状态记录振动测试数据。本发明采用的测试系统结构如图1所示，使用型号为CZY-6的测振仪。
三、试验载荷的分析和统计处理。参考英国BS ISO12107《Metallic materials-fatigue testing-statistical planning and analysis of data》标准的要求，样本量需满足n＝lnα/ln(1-p)公式要求(式中，α表示显著性水平，p示失效概率)。为了保证计算结果满足统计要求，本发明选取置信度为0.95，可靠度为0.9，按此计算需要的样本量最少为28组，本发明实际录取30组数据来确定试验受感部安装处不同频段的振动量值。30组数据分别测自三台发动机，根据不同台份发动机受感部的振动环境和激励基本类似，均表现低压转子不平衡及其谐波成分(1XL、2XL、30XL)，高压转子不平衡及其谐波成分(1XH、2XH和4XH)，且能量较大。因此，频段划分主要考虑所测受感部振动环境的频域特征，即低压转子不平衡及其谐波成分(1XL、2XL)、高压转子不平衡及其谐波成分(1XH、2XH)和低压风扇气动激励(30XL、60XL、90XL)，所测受感部各工况下的频域特征如图3所示。此外，振动环境谱的最低频率值fl和最高频率值fh依据GJB150.16A确定。本案例中确定分析中最低频率取为15Hz，最高频率取为2500Hz。
四、试验剖面的确定、合成与简化。产品的试验剖面用于指导产品开展研制试验和鉴定试验，主要包括：可靠性试验剖面、功能性试验剖面和耐久性试验剖面。各剖面的特性参数主要指各工况的发动机高低压物理转速、各工况持续时间以及占整个寿命周期的时间比例。
可靠性试验剖面应尽可能模拟在整个寿命周期中的实际使用环境，尽量不采用加速方法。依据GJB899A，可靠性试验剖面采用加权系数法，对各工况的加权系数进行计算。在已获得的各工况环境剖面(可靠度为0.9，置信度为0.95)基础上，根据各工况在全寿命周期内所占的停留时间比例，采用加权叠加方法合成，获得全寿命周期的环境剖面。依据GJB899A中B3.5.2.3.2振动应力简化基本规则对合成的环境剖面进行简化，保证各频段内的能量分布不变，得到可靠性试验使用的载荷谱。
功能性试验的环境剖面根据所有转速工况的环境剖面绘制包络线得到，依据GJB899A中B3.5.2.3.2振动应力简化基本规则对环境剖面进行简化，保证各频段内的能量分布不变，得到功能性试验使用的载荷谱。
耐久试验的目的是要考核产品在整个寿命期的结构完整性，期望在较短时间内(即加速试验)使成附件达到与预期现场寿命期相等程度的疲劳损伤。依据GJB150.16A中的推荐方法，也是MIL-STD-810中所采用的方法，耐久试验剖面需按振动损伤等效关系和整个寿命周期的环境剖面来确定，合成原则：基于振动损伤等效关系，对各个任务剖面的振动量值和持续时间进行处理，换算成单一任务剖面下的等效持续时间，并将各个任务阶段的等效时间相加，得到等效于整个寿命期振动疲劳的试验持续时间，给出耐久试验载荷谱。
合成后的试验剖面由于过于复杂，不能直接用于试验，依据GJB899A中B3.5.2.3.2节给出的振动应力简化的基本规则进行简化处理。即：(1)不管环境剖面图数据表中的振动量值有多少个，振动试验剖面中最多只使用5个振动量值；(2)删去环境剖面各阶段低于0.001g2/Hz的所有振动量值。为保持振动的连续性，振动量值小于0.001g2/Hz的所有阶段均采用0.001g2/Hz；(3)确定上述阶段以外的其他阶段振动量值的加权平均值，将其用于试验剖面。
五、试验载荷修正。由于所确定的剖面载荷谱是在发动机台架试车过程中测得，需要考虑发动机在外场使用过程中由于可能存在使用条件差异导致的振动环境变化，对测试载荷进行修正。发动机受感部试验载荷修正可采取成附件振动限制值的确定方法，结合发动机内外场的振动测试数据获得统计极限值，然后对比国内外同类型发动机的振动限制值，确定发动机不同安装位置的振动限制值，确定修正系数对试验载荷修正，得到最终疲劳试验载荷谱。
按照上述方法制定出载荷谱后，即可根据实际情况选择相应的可靠性试验剖面、功能性试验剖面和耐久性试验剖面载荷谱开展疲劳试验，并以试验结果给出受感部的安全寿命，指导受感部的设计和改型。
本发明基于受感部实测数据的振动环境分析与试验载荷确定方法，弥补了受感部振动试验载荷确定的不科学性，更能准确的反映发动机实际振动环境，实现受感部产品振动载荷的定量描述，能够科学合理的确定出产品的安全寿命，提高了产品使用的可靠性和经济性。

Claims (7)

1.一种发动机受感部振动环境分析与试验载荷确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、对受感部进行静强度与疲劳强度计算分析；
步骤二、选用耐温能力和频带范围满足发动机工作环境的振动传感器，将振动传感器安装在发动机能够反映受感部最大振动响应的部位，获取振动的载荷数据；
步骤三、受感部试验载荷的分析和统计处理；
步骤四、受感部试验剖面的确定、合成与简化；
步骤五、结合发动机在外场使用过程中的振动环境变化，对试验载荷进行修正；
步骤六、按照修正后的试验载荷制定出疲劳试验载荷谱，选择受感部试验剖面开展疲劳试验，并以此试验结果给出受感部的安全寿命，指导受感部的设计和改型。
2.根据权利要求1所述的发动机受感部振动环境分析与试验载荷确定方法，其特征在于：所述的步骤一根据受感部设计要求及安装环境参数，采用有限元计算方法，通过建立受感部计算模型、受感部约束条件，计算出受感部最大应力及最大应力部位；
同时根据发动机各状态的转速，计算出受感部各状态下各阶次固有频率的激振频率裕度，并通过坎贝尔图给出共振点，确定受感部的性能。
3.根据权利要求1所述的发动机受感部振动环境分析与试验载荷确定方法，其特征在于：所述的步骤二中至少安装2个振动传感器进行3个不同方向的测量，进行多台份测试；受感部振动环境测量时涵盖发动机全工作转速、典型工作状态进行全频域测量并录取数据。
4.根据权利要求1所述的发动机受感部振动环境分析与试验载荷确定方法，其特征在于：所述的步骤三根据BS ISO12107标准的要求，样本量满足公式n＝lnα/ln(1-p)，α表示显著性水平，p表示失效概率，计算最少需要的样本量；根据受感部振动环境的频域特征划分频段。
5.根据权利要求1所述的发动机受感部振动环境分析与试验载荷确定方法，其特征在于：所述的步骤四中受感部试验剖面包括可靠性试验剖面、功能性试验剖面和耐久性试验剖面；
所述的可靠性试验剖面在已获得的各工况环境剖面基础上，根据各工况在全寿命周期内所占的停留时间比例，对各工况的加权系数进行计算，采用加权叠加方法合成得到全寿命周期的环境剖面，再依据振动应力简化基本规则对合成的环境剖面进行简化，保证各频段内的能量分布不变，由此得到可靠性试验所使用的疲劳试验载荷谱；所述的功能性试验剖面根据所有转速工况的环境剖面绘制包络线得到，依据振动应力简化基本规则对环境剖面进行简化，保证各频段内的能量分布不变，得到功能性试验所使用的疲劳试验载荷谱；所述的耐久性试验剖面基于振动损伤等效关系，对各个任务剖面的振动量值和持续时间进行处理，使之换算成单一任务剖面下的等效持续时间，并将各个任务阶段的等效时间相加，得到等效于整个寿命期振动疲劳的试验持续时间，给出耐久性试验所使用的疲劳试验载荷谱。
6.根据权利要求1所述的发动机受感部振动环境分析与试验载荷确定方法，其特征在于：所述的步骤四中对受感部试验剖面简化时最多只使用5个振动量值，并删去环境剖面各阶段低于0.001g2/Hz的所有振动量值，使振动量值小于0.001g2/Hz的所有阶段均采用0.001g2/Hz，再确定其他阶段振动量值的加权平均值，并将其应用于试验剖面。
7.根据权利要求1所述的发动机受感部振动环境分析与试验载荷确定方法，其特征在于：所述的步骤五中结合发动机内外场的振动测试数据获得统计极限值，然后对比同类型发动机的振动限制值，确定发动机不同安装位置的振动限制值，确定修正系数对试验载荷修正。
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