CN112199848B - 一种低压涡轮轴疲劳寿命评估方法 - Google Patents

一种低压涡轮轴疲劳寿命评估方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种低压涡轮轴疲劳寿命评估方法,所述方法包括：根据低压涡轮轴使用材料给定温度下的应力比R＝‑1下的光滑S‑N曲线σmax＝F1(Nf)和τ‑N曲线方程τmax＝F2(Nf)，获得应力幅等效因子C1＝F1(Nf)/F2(Nf)；根据低压涡轮轴使用材料给定温度下的拉伸强度σb和剪切强度τb，计算平均应力等效因子C2＝σb/τb；根据应力幅等效因子C1、弯曲应力σu、振动扭矩剪应力Δτ、弯曲应力集中系数Kσ和扭转应力集中系数Kτ，利用公式
Figure DDA0002727185680000011
计算得到当量应力幅值σa；根据平均应力等效因子C2、轴向应力σz、主扭矩剪应力τ、弯曲应力集中系数Kσ和扭转应力集中系数Kτ利用公式
Figure DDA0002727185680000012
计算得到当量应力幅值σa；将当量应力幅值σa和当量应力幅值σm转换为对称循环应力σ‑1；根据所述对称循环应力σ‑1对低压涡轮轴疲劳寿命进行评估。

Description

一种低压涡轮轴疲劳寿命评估方法
技术领域
本申请涉及发动机领域，具体涉及一种低压涡轮轴疲劳寿命评估方法。
背景技术
航空发动机低压涡轮轴承受的主要载荷包括：主扭矩、轴向力、振动扭矩和机动过载产生的弯矩，主扭矩和轴向力为低频疲劳载荷，振动扭矩、机动过载频率与转速有关，属于高频疲劳载荷。主扭矩和振动扭矩以剪应力的形式作用于低压涡轮轴上，轴向力和弯矩以拉应力的形式作用于低压涡轮轴上。主扭矩和轴向力都属于稳态载荷，一般取发动机各工作状态的最大值，振动扭矩取主扭矩的10％，弯矩由机动过载产生。
以国军标中对机动过载要求的绕垂直于转子轴线平面内的任一轴线以3.5rad/s的稳态角速度和±1g的垂直载荷系数持续工作15s的寿命分析为例。传统的分析方法降低了低压涡轮轴的疲劳寿命评估精度。
发明内容
本发明提供一种低压涡轮轴疲劳寿命评估方法，对低压涡轮轴当量应力合成公式进行改进，从而提高低压涡轮轴的疲劳寿命评估精度。
本申请提供一种低压涡轮轴疲劳寿命评估方法,所述方法包括：
根据低压涡轮轴使用材料给定温度下的应力比R＝-1下的光滑S-N曲线σmax＝F1(Nf)和τ-N曲线方程τmax＝F2(Nf)，获得应力幅等效因子
Figure BDA0002727185660000011
根据低压涡轮轴使用材料给定温度下的拉伸强度σb和剪切强度τb，计算平均应力等效因子
Figure BDA0002727185660000012
根据应力幅等效因子C1、弯曲应力σu、振动扭矩剪应力Δτ、弯曲应力集中系数Kσ和扭转应力集中系数Kτ，利用公式
Figure BDA0002727185660000021
计算得到当量应力幅值σa；
根据平均应力等效因子C2、轴向应力σz、主扭矩剪应力τ、弯曲应力集中系数Kσ和扭转应力集中系数Kτ利用公式
Figure BDA0002727185660000022
计算得到当量应力幅值σa；
将当量应力幅值σa和当量应力幅值σm转换为对称循环应力σ-1；
根据所述对称循环应力σ-1对低压涡轮轴疲劳寿命进行评估。
具体的，在获得应力幅等效因子之前，方法还包括：
采用材料力学公式计算各种载荷作用下的名义应力，所述名义应力包括低压涡轮轴承受的弯曲应力σu、振动扭矩剪应力Δτ、轴向应力σz和主扭矩剪应力τ。
具体的，方法还包括：
预先设置低压涡轮轴的强度薄弱位置的弯曲应力集中系数Kσ和扭转应力集中系数Kτ。
具体的，在预先设置低压涡轮轴的强度薄弱位置的弯曲应力集中系数Kσ和扭转应力集中系数Kτ，方法还包括：
应力集中系数Kσ对弯曲应力σu和振动扭矩剪应力Δτ进行修正后，得到强度薄弱位置的真实弯曲应力Kσ·σu和真实振动扭矩剪应力Kτ·Δτ。
具体的，在预先设置低压涡轮轴的强度薄弱位置的弯曲应力集中系数Kσ和扭转应力集中系数Kτ，方法还包括：
弯曲应力集中系数Kσ对轴向应力σz和主扭矩剪应力τ进行修正后，得到强度薄弱位置的真实轴向应力Kσ·σz和真实主扭矩剪应力Kτ·τ。
具体的，将当量应力幅值σa和当量应力幅值σa转换为对称循环应力σ-1，具体包括：
采用等寿命曲线，将当量应力幅值σa和当量应力幅值σm转换为对称循环应力σ-1。
具体的，据所述对称循环应力σ-1对低压涡轮轴疲劳寿命进行评估，具体包括：
利用疲劳分散度随循环次数变化的规律对均值S—N曲线进行修正，得到材料最差轴的S—N曲线；根据所述对称循环应力σ-1值，对应得到循环寿命N。
具体的，所述等寿命曲线包括Goodman曲线。
本发明通过研究低压涡轮轴材料的拉伸性能和剪切性能，推导出了应力幅等效因子C1和平均应力等效因子C2，并将C1和C2引入到了低压涡轮轴当量应力合成公式中，C1和C2同时考虑了材料的拉伸性能和扭转性能，提高低压涡轮轴疲劳寿命评估精度。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种低压涡轮轴承受的弯曲应力σu叠加轴向力应力σz的载荷谱；
图2为本申请实施例提供的一种低压涡轮轴承受的主扭矩剪应力τ叠加振动扭矩剪应力Δτ的载荷谱；
图3为本申请实施例提供的一种低压涡轮轴疲劳寿命评估方法流程图。
具体实施方式
本申请中，根据Goodman公式
Figure BDA0002727185660000031
平均应力σm与拉伸强度σb呈正相关，应力幅σa与拉伸疲劳强度σ-1呈正相关，拉应力采用拉伸性能修正，剪应力采用扭转性能修正。当
Figure BDA0002727185660000032
且
Figure BDA0002727185660000033
时，采用歪形能理论将拉应力和剪应力合成为当量应力是合理的；当
Figure BDA0002727185660000034
且
Figure BDA0002727185660000035
时，采用歪形能理论将拉应力和剪应力合成为当量拉应力σeq是偏安全，采用歪形能理论将拉应力和剪应力合成为当量剪应力τeq则偏危险。因此，拉应力和剪应力等效合成过程中应同时考虑材料拉伸性能和扭转性能。
1)采用材料力学公式计算各种载荷作用下的名义应力。低压涡轮轴承受的主要载荷谱如图1所示，其中：弯曲应力σu和剪应力Δτ为应力幅，轴向应力σz和剪应力τ为平均应力。
2)由于低压涡轮轴的强度薄弱位置一般为凸台或孔边等特殊结构，该处存在应力集中现象。假设强度薄弱位置的弯曲应力集中系数Kσ和扭转应力集中系数Kτ，应力集中系数对弯曲应力σu和振动扭矩剪应力Δτ进行修正后，得到强度薄弱位置真实弯曲应力Kσ·σu和真实剪应力Kτ·Δτ。
3)应力集中系数对轴向应力σz和主扭矩剪应力τ进行修正后，得到强度薄弱位置真实轴向应力Kσ·σz和真实剪应力Kτ·τ。
4)通过查询材料收据手册得到低压涡轮轴使用材料给定温度下应力比R＝-1下的光滑S-N曲线σmax＝F1(Nf)和τ-N曲线方程τmax＝F2(Nf)，计算应力幅等效因子
Figure BDA0002727185660000041
5)查材料数据可得到材料给定温度下的拉伸强度σb和剪切强度τb，计算平均应力等效因子
Figure BDA0002727185660000042
6)然后采用C1修正后的歪形能理论对真实弯曲应力和真实振动扭矩剪应力合成为当量应力幅值σa。公式如下：
Figure BDA0002727185660000043
7)采用C2修正后的歪形能理论对真实轴向应力和真实主扭矩剪应力合成为当量应力均值σm。公式如下：
Figure BDA0002727185660000044
8)采用Goodman曲线将非对称循环应力转换为对称循环应力σ-1。
9)低压涡轮轴的S—N曲线由材料的S—N曲线修正后得到。最差轴的S—N曲线是利用疲劳分散度随循环次数变化的规律均值S—N曲线进行修正后得到的。
10)由最差轴的lgS—lgN曲线，根据求得到的σ-1值，可对应得到循环寿命N。
综上所述，本发明通过研究低压涡轮轴材料的拉伸性能和剪切性能，推导出了应力幅等效因子C1和平均应力等效因子C2，并将C1和C2引入到了低压涡轮轴当量应力合成公式中，C1和C2同时考虑了材料的拉伸性能和扭转性能，提高低压涡轮轴疲劳寿命评估精度。

Claims (8)

1.一种低压涡轮轴疲劳寿命评估方法,其特征在于，所述方法包括：
根据低压涡轮轴使用材料给定温度下的应力比R＝-1下的光滑S-N曲线σmax＝F1(Nf)和τ-N曲线方程τmax＝F2(Nf)，获得应力幅等效因子C1＝F1(Nf)/F2(Nf)；
根据低压涡轮轴使用材料给定温度下的拉伸强度σb和剪切强度τb，计算平均应力等效因子C2＝σb/τb；
根据应力幅等效因子C1、弯曲应力σu、振动扭矩剪应力Δτ、弯曲应力集中系数Kσ和扭转应力集中系数Kτ，利用公式
Figure FDA0003840761070000011
计算得到当量应力幅值σa；
根据平均应力等效因子C2、轴向应力σz、主扭矩剪应力τ、弯曲应力集中系数Kσ和扭转应力集中系数Kτ利用公式
Figure FDA0003840761070000012
计算得到当量应力幅值σm；
将当量应力幅值σa和当量应力幅值σm转换为对称循环应力σ-1；
根据所述对称循环应力σ-1对低压涡轮轴疲劳寿命进行评估。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在获得应力幅等效因子之前，方法还包括：
采用材料力学公式计算各种载荷作用下的名义应力，所述名义应力包括低压涡轮轴承受的弯曲应力σu、振动扭矩剪应力Δτ、轴向应力σz和主扭矩剪应力τ。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，方法还包括：
预先设置低压涡轮轴的强度薄弱位置的弯曲应力集中系数Kσ和扭转应力集中系数Kτ。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在预先设置低压涡轮轴的强度薄弱位置的弯曲应力集中系数Kσ和扭转应力集中系数Kτ，方法还包括：
应力集中系数Kσ对弯曲应力σu和振动扭矩剪应力Δτ进行修正后，得到强度薄弱位置的真实弯曲应力Kσ·σu和真实振动扭矩剪应力Kτ·Δτ。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在预先设置低压涡轮轴的强度薄弱位置的弯曲应力集中系数Kσ和扭转应力集中系数Kτ，方法还包括：
弯曲应力集中系数Kσ对轴向应力σz和主扭矩剪应力τ进行修正后，得到强度薄弱位置的真实轴向应力Kσ·σz和真实主扭矩剪应力Kτ·τ。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将当量应力幅值σa和当量应力幅值σa转换为对称循环应力σ-1，具体包括：
采用等寿命曲线，将当量应力幅值σa和当量应力幅值σm转换为对称循环应力σ-1。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述对称循环应力σ-1对低压涡轮轴疲劳寿命进行评估，具体包括：
利用疲劳分散度随循环次数变化的规律对均值S—N曲线进行修正，得到材料最差轴的S—N曲线；根据所述对称循环应力σ-1值，对应得到循环寿命N。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述等寿命曲线包括Goodman曲线。
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