CN113779728A

CN113779728A - 一种适用于电动空压机的疲劳寿命加速测试方法

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Publication number: CN113779728A
Application number: CN202111079528.9A
Authority: CN
Inventors: 张虹; 董洪祯; 祁明旭; 陈少林; 王新宇
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2021-09-15
Filing date: 2021-09-15
Publication date: 2021-12-10

Abstract

本发明公开的一种适用于电动空压机的疲劳寿命加速测试方法，属于电驱动空气压缩机设备技术领域。本方法首先使用模态分析方法，分析待测空压机叶轮的振动特性，根据叶轮叶片振动坎贝尔图，得到空压机旋转叶轮发生共振的转速；然后控制电机转速使空压机在共振转速区域交变运转，实现加速疲劳；再次通过数值计算方法分别得到正常工况和加速试验下旋转叶轮的应力水平，结合叶轮材料的应力‑寿命曲线获得两个工况下叶轮疲劳寿命的加速因子；最后通过计算得出叶轮寿命。该方法在不改变失效机理的条件下加速叶片的疲劳破坏，提高试验效率，适用于离心压机等行业，高速高效地进行空压机旋转叶轮疲劳寿命评估和验证，降低时间经济成本。

Description

一种适用于电动空压机的疲劳寿命加速测试方法

技术领域

本发明涉及电驱动空气压缩机设备技术领域，尤其涉及电驱动车用燃料空气压缩机疲劳试验。

技术背景

随着化石类等不可再生能源被逐渐消耗以及随之而来的巨大环境压力，促使各国、各行业都在积极寻求可替代的清洁能源。在汽车行业，燃料电池电动汽车近年来发展迅猛，它在燃料上摆脱了对传统能源的依赖，被认为是电动汽车发展的终极目标。在燃料电池汽车的动力系统装置中，电动空压机作为氢气压缩机使用，是氢燃料汽车动力系统的重要组成部分。电动空压机是通过电机来驱动离心压气机工作的一种装置，作为燃料电池电动汽车动力系统的重要组成部分，其可靠性得到了相当的重视。为实现轻量化设计，改善气动性能和节省能源，离心压气机的叶片越来越薄，导致叶片的固有频率下降，发生高周疲劳失效的风险加大，对旋转叶轮的可靠性带来了挑战。因此，为降低叶片在使用过程中的失效风险，保证其达到设计寿命，需要对新设计的离心压气机旋转叶轮进行高周疲劳可靠性试验。但空压机旋转叶轮在工作时所受激励较小，失效时间较长，如果按照真实的载荷谱进行高周疲劳试验，时间成本巨大，所以急需一种可以大大缩短高周疲劳试验时间的试验方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于电动空压机的疲劳寿命加速测试方法，能够加速旋转叶轮的疲劳破坏过程。适用于离心压气机行业，用于快速测试电驱动空压机旋转叶轮的疲劳寿命，缩短试验时间。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明首先使用模态分析方法，分析待测空压机叶轮的振动特性，根据叶轮叶片振动坎贝尔图，得到空压机旋转叶轮发生共振的转速；然后在试验时，控制电机转速使空压机在共振转速区域交变运转，此时激振力使旋转叶轮叶片共振，能增大气动响应幅值，实现叶片的加速疲劳；最后通过数值计算方法分别得到正常工况和加速试验下旋转叶轮的应力水平，结合叶轮材料的应力-寿命曲线获得两个工况下叶轮疲劳寿命的加速因子，进而得出叶轮寿命。

本发明公开的一种适用于电动空压机叶轮的疲劳寿命加速测试方法，主要包括如下步骤：

步骤1、建立旋转叶轮的几何模型和有限元模型，计算旋转叶轮的模态信息。

步骤2、坎贝尔图确定旋转叶轮在发生共振时的共振转速n_r。

根据模态信息绘制坎贝尔图，其中空压机转速为横轴，频率为纵轴，将旋转叶轮固有频率和激振力频率信息表示在坐标系中，旋转叶轮固有频率线与激振力频率线的交点即共振转速n_r。

步骤3、驱动空压机运行，叶轮加速发生疲劳破坏，得到叶轮加速疲劳寿命T_H。

在旋转叶轮和集气蜗壳的动静干涉作用下，旋转叶轮表面产生等于旋转叶轮固有频率的气动激振力，使得旋转叶轮表面的气动激励频率等于旋转叶轮的一阶固有频率，则旋转叶轮产生共振，气动应力幅值增大，进而实现叶片的加速疲劳；而转速交变运行方式能够使旋转叶轮的转速控制在一定范围内，消除共振转速计算值和实际值之间的误差。加速试验时，使用电机转速控制程序将空压机转速控制在共振转速附近交变运行，直至叶轮发生疲劳破坏，记录该加速寿命试验得到的叶轮加速疲劳寿命T_H。

步骤4、使用有限元方法，结合应力-寿命曲线获得加速寿命试验对应的加速因子A_F。

加速因子A_F是一无量纲系数，是指工作常工况下旋转叶轮的疲劳寿命T_L与加速试验中叶轮加速疲劳寿命T_H的比值。该系数由通过计算得到叶轮在工作转速下的预估寿命T₂和共振转速下的预估寿命T₁求比值得到，即

首先使用计算流体力学软件计算出离心空气压缩机在试验工况下的内部流场信息。将内部流场信息插值于旋转叶轮的结构网格上，计算在气动载荷作用下叶片的瞬态响应。按照第四强度理论对叶片的应力进行等效，得到叶片的气动应力分布；再施加共振转速的离心力载荷，得到旋转叶轮叶片在离心力作用下的稳态响应。按照第四强度理论对叶片的应力进行等效，得到叶片的离心应力分布；将旋转叶轮的离心应力和气动应力进行叠加，用流固耦合方法得到旋转叶轮在试验工况下的应力响应，从中提取应力幅值σ_a和平均应力值σ_m。

试验工况下的应力响应一般不是对称循环应力，在求解旋转叶轮的寿命时需要将其修正为对称循环应力σ_f，可以采用Goodman平均应力修正方程或其他修正方程求解：

式中，σ_u为材料的抗拉强度，σ_f为修正后的循环对称应力幅值，σ_a为应力幅值，σ_m为平均应力。根据平均应力修正方程得到修正后的循环对称应力幅值σ_f后，将σ_f代入材料的应力-寿命曲线，求得旋转叶轮的预估寿命T₁。在计算设置中更改叶轮转速为工作转速，重复步骤4内上述步骤，计算得到旋转叶轮在工作转速下运行的预估疲劳寿命T₂。则可以使用T₁和T₂求得加速因子A_F。

步骤5、根据步骤3中通过实验获得的加速寿命试验得到的叶轮加速疲劳寿命T_H和步骤4所得的加速因子A_F，按式1计算得到工作转速工况下旋转叶轮的疲劳寿命T_L。

有益效果：

1、该方法在不改变失效机理的条件下加速叶片的疲劳破坏，提高试验效率，可以高速高效地进行空压机旋转叶轮疲劳寿命评估和验证，降低时间经济成本。

附图说明

图1为疲劳寿命加速测试方法流程图；

图2为叶轮振动坎贝尔图；

图3为叶轮转速运行工作谱图；

图4为叶轮材料S-N曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明。同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本实施例提供的适用于某电动空压机的疲劳寿命加速测试方法流程图如附图1所示，具体实施步骤如下：

进行几何建模和有限元建模，计算所用模型为空压机旋转叶轮的全周模型。在旋转叶轮的轴孔处施加完全约束条件，设置旋转叶轮材料的密度、弹性模量以及泊松比。对旋转叶轮划分网格，网格采用修正的二次四面体单元，计算前60阶(建议值)模态。

步骤2、使用坎贝尔图确定旋转叶轮在发生共振时的共振转速n_r。

根据模态信息绘制坎贝尔图，横轴表示空压机的转速，纵轴表示频率信息，水平线表示旋转叶轮的固有频率随空压机转速的变化，斜线表示不同阶次的气动激振力频率随转速的变化，如附图2所示。根据坎贝尔图中表示低阶次共振的斜线与一阶激励水平线的相交点，得到该叶轮的共振转速。图中与激励水平线有交点的低阶次共振为4阶(E04)，共振转速为n_r＝87600rpm，如附图2中圆圈所示。

步骤3、进行空压机旋转叶轮的高周疲劳加速试验，记录叶轮的加速疲劳寿命T_H

根据前述所得到的旋转叶轮共振转速，按照共振转速上下5％-10％范围，确定空压机在交变转速运行时的最高转速和最低转速。转速运行工况谱如附图3所示，其中一个交变的周期为t_ch。通过电机驱动程序来控制空压机叶轮在共振转速附近交变运行。试验时，实时检测空压机进气道气体总压、空压机进气道气体总温、空压机流量或流量计气体压差、空压机出口气体总压、空压机出口气体总温。如果旋转叶轮发生疲劳破坏，以上监测数据会表现为剧烈变化，则试验终止，并记录空压机叶轮的加速疲劳寿命T_H＝t₀。

步骤4、计算共振转速下叶轮加速疲劳寿命预估值T₁。

4.1、使用前述进行旋转叶轮模态分析的网格模型，输入旋转叶轮的材料属性(密度、弹性模量以及泊松比)，约束旋转叶轮轴孔处的所有自由度，以共振转速n_r＝87600rpm为条件施加共振时的离心力载荷，不考虑大变形带来的几何非线性的影响，计算旋转叶轮在实验时的离心应力。

4.2、建立空压机流域几何模型，对流域进行网格划分。计算域的入口设置为总温总压边界，中等湍流强度，出口设置质量流量，计算空压机在试验工况下的内部流场信息。并将旋转叶轮表面所受压力映射到前述的结构网格上作为载荷，进行瞬态动力学分析，计算旋转叶轮的瞬态气动应力。

4.3、将计算得到的旋转叶轮离心应力和气动应力导出并叠加，得到旋转叶轮在试验工况下的应力，从计算后处理中提取应力幅值σ_a和平均应力σ_m。由于所计算得到的应力并不是循环对称的，因此在求解旋转叶轮的寿命时需要使用Goodman平均应力修正方程将其进行修正，其中Goodman平均应力修正方程：

式中，σ_u为材料的抗拉强度，σ_f为修正后的循环对称应力幅值。根据Goodman平均应力修正方程得到修正后的循环对称应力幅值σ_f后，将σ_f带入材料的S-N曲线，求得旋转叶轮的寿命T₁＝t₁。材料S-N曲线如附图4所示。

5，将步骤4中叶轮旋转速度改为工作转速，计算工作转速下叶轮疲劳寿命预估值T₂＝t₂。

6，根据上述加速疲劳寿命预估值T₁和正常工况下的疲劳寿命预估值T₂，可以根据公式1求得该旋转叶轮寿命和疲劳寿命之间的加速因了

并求得该电动空压机叶轮的疲劳寿命值T_L＝3.34×t₀。

本发明提供的方法可由试验验证，验证得出的工作转速疲劳寿命值T′_L≈3.1×t₀，二者误差为7.97％，该误差范围高于5％且低于10％，可以证明本发明提出的疲劳寿命加速测试方法合理且有效。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，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。

Claims

1.一种适用于电动空压机的疲劳寿命加速测试方法，其特征在于，主要包括如下步骤：

步骤1、建立旋转叶轮的几何模型和有限元模型，计算旋转叶轮的模态信息；

步骤2、坎贝尔图确定旋转叶轮在发生共振时的共振转速n_r；

步骤3、驱动空压机运行，叶轮加速发生疲劳破坏，得到叶轮加速疲劳寿命T_H；

步骤4、使用有限元方法，结合应力-寿命曲线获得加速寿命试验对应的加速因子A_F；

步骤5、根据步骤3中通过实验获得的加速寿命试验得到的叶轮加速疲劳寿命T_H和步骤4所得的加速因子A_F，按式1计算工作得到转速工况下旋转叶轮的疲劳寿命T_L。

2.如权利要求1所述的一种适用于电动空压机的疲劳寿命加速测试方法，其特征在于，步骤2实现方式为：

3.如权利要求1所述的一种适用于电动空压机的疲劳寿命加速测试方法，其特征在于，步骤3实现方式为：

在旋转叶轮和集气蜗壳的动静干涉作用下，旋转叶轮表面产生等于旋转叶轮固有频率的气动激振力，使得旋转叶轮表面的气动激励频率等于旋转叶轮的一阶固有频率，则旋转叶轮产生共振，气动应力幅值增大，进而实现叶片的加速疲劳；而转速交变运行方式能够使旋转叶轮的转速控制在一定范围内，消除共振转速计算值和实际值之间的误差；加速试验时，使用电机转速控制程序将空压机转速控制在共振转速附近交变运行，直至叶轮发生疲劳破坏，记录该加速寿命试验得到的叶轮加速疲劳寿命T_H。

4.如权利要求1所述的一种适用于电动空压机的疲劳寿命加速测试方法，其特征在于，步骤4实现方式为：

加速因子A_F是一无量纲系数，是指工作常工况下旋转叶轮的疲劳寿命T_L与加速试验中叶轮加速疲劳寿命T_H的比值；该系数由通过计算得到叶轮在工作转速下的预估寿命T₂和共振转速下的预估寿命T₁求比值得到，即

首先使用计算流体力学软件计算出离心空气压缩机在试验工况下的内部流场信息；将内部流场信息插值于旋转叶轮的结构网格上，计算在气动载荷作用下叶片的瞬态响应；按照第四强度理论对叶片的应力进行等效，得到叶片的气动应力分布；再施加共振转速的离心力载荷，得到旋转叶轮叶片在离心力作用下的稳态响应；按照第四强度理论对叶片的应力进行等效，得到叶片的离心应力分布；将旋转叶轮的离心应力和气动应力进行叠加，用流固耦合方法得到旋转叶轮在试验工况下的应力响应，从中提取应力幅值σ_a和平均应力值σ_m；

式中，σ_u为材料的抗拉强度，σ_f为修正后的循环对称应力幅值，σ_a为应力幅值，σ_m为平均应力；根据平均应力修正方程得到修正后的循环对称应力幅值σ_f后，将σ_f代入材料的应力-寿命曲线，求得旋转叶轮的预估寿命T₁；在计算设置中更改叶轮转速为工作转速，重复步骤4内上述步骤，计算得到旋转叶轮在工作转速下运行的预估疲劳寿命T₂；则可以使用T₁和T₂求得加速因子A_F。