CN113948163A - 一种用于重复使用火箭发动机涡轮泵的高低周复合疲劳寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

高低周复合疲劳是重复使用火箭发动机涡轮泵的一种重要的失效形式，目前常用的线性累积损伤模型用于高低周复合疲劳寿命预测时未考虑载荷之间的相互影响和载荷历程的影响。为此本发明提出了一种重复使用火箭发动机涡轮泵的高低周复合疲劳寿命预测方法，在单个载荷块内考虑了低周载荷和高周载荷之间相互影响，在线性累积损伤模型的基础上引入附加损伤；在多个载荷块之间考虑载荷历程的影响，引入修正因子对载荷块损伤进行修正。本发明更符合高低周复合疲劳机理，可快速预测重复使用火箭发动机涡轮泵的高低周复合疲劳寿命，还可用于高低周复合加载下材料或其它部件的疲劳寿命预测和评估，提高了在高低周复合载荷下的寿命预测和评估的准确性与可靠性。

Description

一种用于重复使用火箭发动机涡轮泵的高低周复合疲劳寿命 预测方法

技术领域

本发明属于材料或部件的疲劳寿命预测技术领域，特别涉及一种用于重复使用火箭发动机涡轮泵的高低周复合疲劳寿命预测方法。

背景技术

近几年国内外大力发展可回收火箭以便重复使用降低成本，重复使用的火箭发动机涡轮泵在工作过程中承受着高速转动产生的离心载荷以及温度分布不均匀造成的温度载荷，这些载荷在单次工作中属于静态载荷，但是重复使用使得这些静态载荷变为周期载荷，并且由于这些载荷幅值较高会导致低周疲劳失效。在这些载荷上还叠加有高频低幅值的振动载荷，振动载荷远小于疲劳极限会导致高周疲劳失效。单一地将高周疲劳或低周疲劳作为强度设计和寿命估算的依据，不能有效地反映出重复使用火箭发动机涡轮泵在多次回收使用工作中的损伤过程。在这些部件的寿命研究过程中，为反映实际工作载荷中的损伤、更加准确地预测部件寿命，考虑高低周复合疲劳地作用尤为必要。

现有疲劳损伤累积理论分为线性累积理论和非线性累积理论。非线性累积损伤理论基于不同原理，形式繁多，只适用于特定情况，适用性和可靠性等方面有待验证，并且大部分需要试验参数，公式较为复杂在工程上难以应用。线性累积损伤模型形式简洁，计算效率高，不需要额外的材料参数，在工程上应用广泛。对于高低周复合疲劳寿命预测，在实际工程中常常使用Miner线性累积损伤模型进行计算，但是该方法由于线性叠加假设和应力之间互不影响假设，导致了试验与理论有一定误差，理论预测寿命结果比试验寿命结果偏危险。考虑高低周复合载荷特征，线性累积损伤模型的误差主要有两方面：一是在载荷块中没有考虑复合载荷中低周载荷和高周载荷之间的相互影响；二是在载荷块之间没有考虑载荷历程影响，忽略了前面载荷对后续循环的影响。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，解决目前不能较为准确地进行金属材料或构件特别是重复使用火箭发动机涡轮泵这种十分重要的部件在高低周复合载荷下的寿命预测和评估问题，本发明的目的在于提供一种用于重复使用火箭发动机涡轮泵的高低周复合疲劳寿命预测方法，该方法在线性累积损伤模型的基础上通过载荷块内引入附加损伤和载荷块间引入修正因子，考虑了低周载荷和高周载荷的相互影响和载荷历程的影响，使得损伤计算更加符合高低周复合疲劳机理，提高了重复使用火箭发动机涡轮泵或者在高低周复合载荷下工作的金属材料和其他构件的寿命预测和评估的准确性与可靠性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于重复使用火箭发动机涡轮泵的高低周复合疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：

步骤1)，基于线性累积损伤模型，对高低周复合疲劳试验载荷谱中单个载荷块内低周疲劳损伤D_L和高周疲劳损伤D_H分别进行计算；

步骤2)，在单个载荷块内考虑低周载荷和高周载荷之间相互影响，引入附加损伤D_a对单个载荷块内损伤进行修正，即单个载荷块的损伤D_B表示为低周疲劳损伤D_L、高周疲劳损伤D_H和附加损伤D_a三部分之和，即D_B＝D_L+D_H+D_a；

步骤3)，在多个载荷块之间考虑载荷历程的影响，以载荷块为基本单元引入修正因子f对载荷块损伤D_B进行修正，得到载荷块复合损伤D_C；

步骤4)，将载荷块复合损伤D_C进行累积，计算总损伤到达临界损伤时的载荷块数。

所述步骤1)中，根据线性累积损伤模型，高低周复合疲劳试验载荷谱中单个载荷块的高低周复合疲劳损伤由低周疲劳损伤D_L和高周疲劳损伤D_H组成，其大小分别为：

其中，N_LCF为低周载荷对应的低周疲劳寿命，N_HCF为高周载荷对应的高周疲劳寿命，n为单个载荷块高周循环数。

所述步骤2)中，附加损伤D_a是考虑高低周载荷相互影响造成的附加损伤项，认为单个低周载荷对高周载荷的附加损伤影响是指数衰减的，其控制参数即衰减速度的影响因素包括高低周应力幅值比

和单个循环的高周载荷和低周载荷造成的损伤比

附加损伤D_a的表达式为：

其中，σ_H、σ_L为单个载荷块内的高周载荷幅值和低周载荷幅值。

考虑低周载荷和高周载荷之间的相互影响，修正线性累积损伤模型后的单个载荷块的损伤为：

所述步骤3)中，第i个载荷块的复合损伤D_C,i为：

其中，下标i表示第i个载荷块的参数，即f_i是第i个载荷块的修正因子，N_LCF,i、N_HCF,i、n_i、α_i、d_i分别表示第i个载荷块的低周载荷对应的低周疲劳寿命、高周载荷对应的高周疲劳寿命、高周循环数、高低周应力幅值比、单循环高周低周损伤比。

f_i是第i个载荷块的修正因子，考虑了载荷块之间的影响，其控制参数包括当前累积损伤

和第i个载荷块的损伤D_B,i，单个载荷块造成的损伤与当前累积损伤相对比值越小，线性假设的影响越小；相对比值越大，载荷历程的影响就越大；同时当前载荷块的序号与修正因子也呈正相关。修正因子的具体表达式为：

考虑载荷历程影响，经过载荷块内的修正和载荷块间的修正，修正后的第i个载荷块的复合损伤D_C,i为：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)考虑高周载荷和低周载荷之间的相互影响在单个载荷块内引入附加损伤，解决了线性累积损伤模型没有考虑载荷相互影响的不足；

2)考虑了载荷历程影响在载荷块间引入修正因子，解决了线性累积损伤模型没有考虑载荷历程影响的不足；

3)更加符合高低周复合疲劳机理，提高了重复使用火箭发动机的高低周复合疲劳寿命预测和评估的准确性与可靠性。

4)相比其他模型，本发明对于高低周复合疲劳寿命的预测结果与实验对比误差更小。

附图说明

图1是用于重复使用火箭发动机涡轮泵的高低周复合疲劳寿命预测方法流程图。

图2是高低周复合疲劳试验载荷谱

图3是本发明对于高低周复合疲劳寿命的预测结果与试验结果的对比

图4是本发明对于高低周复合疲劳寿命的预测结果与其他模型结果的对比。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，一种用于重复使用火箭发动机涡轮泵的高低周复合疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：

1)基于线性累积损伤模型对对高低周复合疲劳试验载荷谱中单个载荷块内低周疲劳损伤D_L和高周疲劳损伤D_H进行计算；

其中，N_LCF为低周载荷对应的低周疲劳寿命，N_HCF为高周载荷对应的高周疲劳寿命，n为单个载荷块高周循环数。

在计算损伤之前需要将可回收火箭发动机涡轮泵实际服役载荷基于损伤等效原则转化为高低周复合疲劳试验载荷谱(如图2所示)。低周疲劳寿命和高周疲劳寿命是将对应的循环载荷带入Manson-Coffin公式中计算求得。

2)考虑载荷块内低周载荷和高周载荷之间的相互影响，引入附加损伤对单个载荷块损伤进行修正；

对于单个载荷块内的损伤考虑低周载荷和高周载荷之间的相互影响，引入附加损伤D_a将单个载荷块的损伤表示为低周疲劳损伤D_L、高周疲劳损伤D_H和附加损伤三部分之和：

D_B＝D_L+D_H+D_a

计算附加损伤D_a：

其中，

为高低周应力幅值比，

是单个循环高周载荷损伤和低周载荷损伤之比。σ_H、σ_L为单个载荷块内的高周载荷幅值和低周载荷幅值。

计算载荷块内修正后的单个载荷块的损伤：

3)考虑载荷块内低周载荷和高周载荷之间相互影响，引入附加损伤修正后，在载荷块之间考虑载荷历程影响引入修正因子f，以单个载荷块为基本单元对载荷块损伤进行修正，得到第i个载荷块的复合损伤D_C,i为：

其中，下标i表示第i个载荷块的参数，即f_i是第i个载荷块的修正因子，N_LCF,i、N_HCF,i、n_i、α_i、d_i分别表示第i个载荷块的低周载荷对应的低周疲劳寿命、高周载荷对应的高周疲劳寿命、高周循环数、高低周应力幅值比、单循环高周低周损伤比。

计算修正因子f_i：

经过载荷块内的修正和载荷块间的修正，计算第i个载荷块的复合损伤D_C,i：

4)将进行了载荷块内修正和载荷块间修正后的载荷块复合损伤进行累积，计算总损伤到达临界损伤D_cr时的载荷块数。

为了验证本发明提出的一种用于重复使用火箭发动机涡轮泵的高低周复合疲劳寿命预测方法的效果，将本方法计算所得高低周复合疲劳寿命预测结果与在高低周复合疲劳试验下所得的试验寿命进行比较。

累积总损伤到达临界损伤时加载了m个完整的载荷块，高低周复合疲劳寿命可表示为：

结果表明，通过本发明的计算方法预测高低周复合疲劳寿命与试验寿命相比，均在1.5倍分散带内，如图3所示。同时，将本发明的计算寿命与线性累积损伤模型、非线性Trufyakov-Kovalchuk模型、Manson-Halford模型计算寿命进行比较。结果表明，相对于Miner模型、Trufyakov-Kovalchuk模型和Manson-Halford模型，本文所提出的方法在高低周复合疲劳寿命预测整体精度更好，误差较小分布较集中，如图4所示。

Claims (4)

1.一种用于重复使用火箭发动机涡轮泵的高低周复合疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)，基于线性累积损伤模型，对高低周复合疲劳试验载荷谱中单个载荷块内低周疲劳损伤D_L和高周疲劳损伤D_H分别进行计算；

步骤2)，在单个载荷块内考虑低周载荷和高周载荷之间相互影响，引入附加损伤D_a对单个载荷块内损伤进行修正，即单个载荷块的损伤D_B表示为低周疲劳损伤D_L、高周疲劳损伤D_H和附加损伤D_a三部分之和，即D_B＝D_L+D_H+D_a；

步骤3)，在多个载荷块之间考虑载荷历程的影响，以载荷块为基本单元引入修正因子f对载荷块损伤D_B进行修正，得到载荷块复合损伤D_C；

步骤4)，将载荷块复合损伤D_C进行累积，计算总损伤到达临界损伤时的载荷块数。

2.根据权利要求1所述用于重复使用火箭发动机涡轮泵的高低周复合疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤1)中，根据线性累积损伤模型，高低周复合疲劳试验载荷谱中单个载荷块的损伤由低周疲劳损伤D_L和高周疲劳损伤D_H组成，其大小分别为：

其中，N_LCF为低周载荷对应的低周疲劳寿命，N_HCF为高周载荷对应的高周疲劳寿命，n为单个载荷块高周循环数。

3.根据权利要求2所述用于重复使用火箭发动机涡轮泵的高低周复合疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤2)中，附加损伤D_a是考虑高低周载荷相互影响造成的附加损伤项，其控制参数包括高低周应力幅值比

和单个循环的高周载荷和低周载荷造成的损伤比

具体表达式为：

其中，σ_H、σ_L为单个载荷块内的高周载荷幅值和低周载荷幅值；

考虑低周载荷和高周载荷之间的相互影响，修正线性累积损伤模型后的单个载荷块的损伤为：

4.根据权利要求3所述用于重复使用火箭发动机涡轮泵的高低周复合疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤3)中，第i个载荷块的复合损伤D_C,i为：

其中，下标i表示第i个载荷块的参数，即f_i是第i个载荷块的修正因子，N_LCF,i、N_HCF,i、n_i、α_i、d_i分别表示第i个载荷块的低周载荷对应的低周疲劳寿命、高周载荷对应的高周疲劳寿命、高周循环数、高低周应力幅值比、单循环高周低周损伤比；

f_i是第i个载荷块的修正因子，其控制参数包括当前累积损伤

和第i个载荷块的损伤D_B,i：

考虑载荷历程影响，修正后的第i个载荷块的复合损伤D_C,i为：

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