CN115563818B - 一种考虑瞬态历程温度影响的轮盘疲劳寿命设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空发动机技术领域，公开了一种考虑瞬态历程温度影响的轮盘疲劳寿命设计方法，通过疲劳强度折算瞬态历程应力谱，解决了传统方法存在的使用拉伸强度折算应力谱得到应力幅偏低的问题，规避了低循环疲劳寿命设计结果偏高的风险；通过应力幅、疲劳强度改进后的试验器系数，对发动机状态轮盘疲劳寿命设计结果进行试验验证评估的有效性进行判别，提高了试验参数的合理性，确保所设计的发动机状态轮盘疲劳寿命满足实际工作要求。

Description

一种考虑瞬态历程温度影响的轮盘疲劳寿命设计方法

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，具体涉及一种考虑瞬态历程温度影响的轮盘疲劳寿命设计方法。

背景技术

轮盘是航空发动机中的关键件，国内外均在发动机设计规范中明确了轮盘要进行低循环疲劳试验的要求。开展轮盘低循环疲劳试验件设计首先需要进行发动机状态的应力、寿命分析，根据参考文献《航空发动机强度设计、试验手册第二篇第三章轮盘强度试验》（以下简称手册），通常选取“0-最大-0”作为标准循环进行设计分析，这里的最大指的是工作过程中的最大值，包括稳态工况、瞬态历程。在瞬态历程中，轮盘的应力和温度是随时间变化的参数，而在轮盘的低循环疲劳试验过程中，温度是无法随时间发生变化的，这就需要我们将瞬态历程的应力谱转化成同一温度下再进行寿命评估，完成后以此为基准来进行试验件设计。

根据《英国斯贝MK202发动机应力标准》，材料的疲劳损伤取决于应力与相应温度下材料的拉伸极限之比，即认为疲劳性能随温度的变化规律与拉伸极限相同。然而在研究过程中发现，疲劳极限虽然作为反应疲劳寿命的机械性能，与拉伸强度呈现正相关的关系，但具体变化规律有区别，如钛合金TC17疲劳强度如附图1所示，高温合金GH4096疲劳强度如附图2所示，整体上随温度的升高而降低，但降低速度有所不同，对折算后的应力有着较大的影响。

此外，由于航空发动机轮盘温度场产生的热应力无法在进行低循环疲劳试验进行循环变化，通常采用均温或带一定温度梯度的方案，根据参考文献《手册》，通常使用试验器系数K来对试验设计结果进行有效性评判，试验器系数采用了最大应力比值与拉伸强度比值的乘积：

通常认为K≥1时，试验参数设计合理。然而标准循环中的谷值常常并不为0，在装配应力、热应力的作用下可能会出现负值，而试验状态往往难以模拟发动机复杂的载荷边界，在恒温、谷值转速（通常>0rpm）时谷值应力不为0，用K无法试验模拟的应力幅是否合理。

针对上述问题，因此本发明提出了一种较为合理的考虑瞬态历程温度影响的轮盘低循环疲劳试验设计方法，用以解决瞬态历程复杂温度场的对低循环疲劳寿命设计工作的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种较为合理的考虑瞬态历程温度影响的轮盘低循环疲劳试验设计方法，用以解决瞬态历程复杂温度场的对低循环疲劳寿命设计工作的影响。

本发明的技术方案为一种考虑瞬态历程温度影响的轮盘疲劳寿命设计方法：包括如下步骤：

步骤1、选“0-设计工况-0”作为分析循环，获得稳态时轮盘工作的循环应力及对应的设计工况温度值，依据温度值选取相应温度代表值的疲劳性能计算稳态工况寿命；

步骤2、提取起飞时瞬态历程轮盘关键部位的温度谱，确定瞬态历程中温度最大值；并分析瞬态历程轮盘关键部位的应力谱，得到不同时刻关键部位的应力；关键部位包括轮盘的盘心、孔、槽；

步骤3、根据瞬态历程中温度最大值，选取相应温度代表值的疲劳性能确定瞬态历程中的疲劳极限；

步骤4、根据不同温度下的材料疲劳极限以及、，计算获得对应温度下的应力谱；

步骤5、根据应力谱中的极值，计算瞬态历程的疲劳寿命；

步骤6、对比疲劳寿命、，选小者作为发动机状态轮盘疲劳寿命设计结果。

进一步地，以步骤6中发动机状态轮盘疲劳寿命设计结果对应的或温度值及其对应的应力作为轮盘疲劳试验件的设计基准，制定均温或带梯度温度场的试验方案；轮盘通过转接段结构安装在试验设备旋转轴上，模拟发动机状态，模拟时计算试验器系数K：

若K<1，则通过改变转速或转接段结构，调整关键部位应力，直至K≥1；确定K≥1对应的试验温度和转速作为最终疲劳试验参数，所述最终疲劳试验参数用于评估发动机状态轮盘疲劳寿命是否满足步骤6中的设计结果。

进一步地，步骤4中按照公式计算获得对应温度下的应力谱。

进一步地，稳态工况疲劳寿命确定方法为：根据稳态时设计工况温度值计算得到最大应力值，根据静止状态计算得到最小应力值，计算极值的应力比、平均应力及应变幅，选择温度代表值对应的应变寿命曲线方程或S-N曲线方程进行寿命评估获得。

进一步地，瞬态历程疲劳寿命确定方法为：根据应力谱及应力谱中的最大、最小值，计算平均应力、应变幅和极值的应力比，选择应变寿命曲线方程或S-N曲线方程进行寿命评估获得。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明通过分析标准循环“0-设计工况-0”时引入瞬态历程（起飞）的影响，选择疲劳寿命、中的小者对应的或温度值及其对应的应力作为发动机状态轮盘疲劳寿命设计结果，规避了采用传统的疲劳寿命设计方案获得的轮盘低循环疲劳寿命应用于实际时可能存在偏低的问题。

2、本发明还对发动机状态轮盘疲劳寿命设计结果进行试验验证评估，且采用改进后的试验器系数对试验的有效性进行判别，提高了试验参数的合理性，确保所设计的发动机状态轮盘疲劳寿命满足实际工作要求。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为TC17拉伸极限、疲劳极限随温度的变化规律曲线图；

图2为GH96拉伸极限、疲劳极限随温度的变化规律曲线图；

图3为实施例中考虑瞬态历程温度影响的轮盘疲劳寿命设计方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例

参见图1-图3，一种考虑瞬态历程温度影响的轮盘疲劳寿命设计方法，包括如下步骤：

步骤1、选“0-设计工况-0”作为分析循环，获得稳态时轮盘工作的循环应力及对应的设计工况温度值，依据温度值选取相应温度代表值的疲劳性能计算稳态工况寿命；

本实施例中，稳态工况疲劳寿命确定方法为：根据稳态时设计工况温度值计算得到最大应力值，根据静止状态计算得到最小应力值，计算极值的应力比、平均应力及应变幅，选择温度代表值对应的应变寿命曲线方程或S-N曲线方程进行寿命评估获得。

步骤2、提取起飞时瞬态历程轮盘关键部位的温度谱，确定瞬态历程中温度最大值；并分析瞬态历程轮盘关键部位的应力谱，得到不同时刻关键部位的应力；本实施例中的关键部位包括盘心、孔、槽等大应力部位；

步骤3、根据瞬态历程中温度最大值，选取相应温度代表值的疲劳性能确定瞬态历程中的疲劳极限；

步骤4、根据不同温度下的材料疲劳极限以及、，计算获得对应温度下的应力谱；

步骤5、根据应力谱中的极值，计算瞬态历程的疲劳寿命；

本实施例中，瞬态历程疲劳寿命确定方法为：根据应力谱及应力谱中的最大、最小值，计算平均应力、应变幅和极值的应力比，选择应变寿命曲线方程或S-N曲线方程进行寿命评估获得。

步骤6、对比疲劳寿命、，选小者作为发动机状态轮盘疲劳寿命设计结果。

在本实施例中，通过分析标准循环“0-设计工况-0”时引入瞬态历程（起飞）的影响，选择稳态工况寿命、瞬态历程疲劳寿命中的小者对应的或温度值及其对应的应力作为发动机状态轮盘疲劳寿命设计结果，规避了采用传统的疲劳寿命设计方案获得的轮盘低循环疲劳寿命应用于实际时可能存在偏低的问题。

本实施例步骤6中发动机状态轮盘疲劳寿命设计结果后，以对应的或温度值及其对应的应力作为轮盘疲劳试验件的设计基准，制定均温或带梯度温度场的试验方案；轮盘通过转接段结构安装在试验设备旋转轴上，模拟发动机状态，模拟时计算试验器系数K：

若K<1，则通过改变转速或转接段结构，调整关键部位应力，直至K≥1；确定K≥1对应的试验温度和转速作为最终疲劳试验参数，所述最终疲劳试验参数用于评估发动机状态轮盘疲劳寿命是否满足步骤6中的设计结果。本实施例对步骤6中的设计结果进行试验验证评估时，采用试验器系数对试验参数设置的有效性进行判别，提高了试验合理性，确保所设计的发动机状态轮盘疲劳寿命满足实际工作要求。

步骤4中按照公式将应力转换成对应温度下的应力谱，转换前、后应力谱。通过应力与对应温度下的疲劳极限之比，将瞬态历程应力谱转换到同一温度下再进行寿命分析。本实施例中，通过疲劳极限对瞬态历程中的应力谱进行了修正，使其处于同一温度状态下，便于试验设计使用，而使用传统方法拉伸强度修正的应力谱得到的应力幅有偏小的风险。

因为、的具体数据在应变寿命曲线或S-N曲线上并不是直接有相对应的数据，因此稳态时设计工况温度值对应的温度代表值的选取方法，以及瞬态历程中温度最大值对应的温度代表值的选取方法，都是根据、的具体数值大小，在应变寿命曲线或S-N曲线（如低循环疲劳应变寿命曲线或轴向高周疲劳S-N曲线）上选取与、相临近的温度值、作为代表值。

总体来说，针对瞬态历程中应力谱转换过程中，使用的拉伸强度与疲劳性能变化规律不一致的问题，本方法使用疲劳强度代替。相比拉伸极限，疲劳极限作为与循环寿命相关的机械性能，更能反应瞬态历程中温度变化对疲劳寿命的影响。具体做法是将瞬态历程中轮盘某部位的应力谱、温度谱提取出来，根据瞬态历程中温度最大值，选取较为接近该温度的疲劳性能，该性能对应的温度及疲劳极限分别为、。由于低循环疲劳寿命与相应温度下的疲劳极限相关，根据式及不同温度下的疲劳极限，将得到的应力转换至对应温度下的。

对于参考文献《手册》中使用的试验器系数K存在的一些问题，本发明为了解决航空发动机轮盘低循环疲劳试验载荷等效的问题，在试验器系数K的基础上，提出一种试验温度以及试验设计有效性评判准则，采用损伤当量应力幅代替最大应力，采用疲劳极限代替拉伸极限。如下式所示：

采用损伤当量应力幅代替最大应力，采用疲劳极限代替拉伸极限。

本发明针对瞬态历程中温度对低循环疲劳寿命的影响，建立了一种基于疲劳极限的转换及评判方法，该方法适用性高，能够很好的满足轮盘强度试验件的设计需要。该方法已成功应用于某军用发动机的轮盘疲劳试验件设计，试验结果证明该方法适应性、合理性较好。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种考虑瞬态历程温度影响的轮盘疲劳寿命设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、选“0-设计工况-0”作为分析循环，获得稳态时轮盘工作的循环应力及对应的设计工况温度值，依据温度值选取相应温度代表值的疲劳性能计算稳态工况寿命；

步骤2、提取起飞时瞬态历程轮盘关键部位的温度谱，确定瞬态历程中温度最大值；并分析瞬态历程轮盘关键部位的应力谱，得到不同时刻关键部位的应力；关键部位包括轮盘的盘心、孔、槽；

步骤3、根据瞬态历程中温度最大值，选取相应温度代表值的疲劳性能确定瞬态历程中的疲劳极限；

步骤4、根据不同温度下的材料疲劳极限以及、，计算获得对应温度下的应力谱；

步骤5、根据应力谱中的极值，计算瞬态历程的疲劳寿命；

步骤6、对比疲劳寿命、，选小者作为发动机状态轮盘疲劳寿命设计结果；以发动机状态轮盘疲劳寿命设计结果对应的或温度值及其对应的应力作为轮盘疲劳试验件的设计基准，制定均温或带梯度温度场的试验方案；轮盘通过转接段结构安装在试验设备旋转轴上，模拟发动机状态，模拟时计算试验器系数K：

若K<1，则通过改变转速或转接段结构，调整关键部位应力，直至K≥1；确定K≥1对应的试验温度和转速作为最终疲劳试验参数，所述最终疲劳试验参数用于评估发动机状态轮盘疲劳寿命是否满足所述设计结果。

2.根据权利要求1所述的考虑瞬态历程温度影响的轮盘疲劳寿命设计方法，其特征在于，步骤4中按照公式计算获得对应温度下的应力谱。

3.根据权利要求1所述的考虑瞬态历程温度影响的轮盘疲劳寿命设计方法，其特征在于，稳态工况疲劳寿命确定方法为：根据稳态时设计工况温度值计算得到最大应力值，根据静止状态计算得到最小应力值，计算极值的应力比、平均应力及应变幅，选择温度代表值对应的应变寿命曲线方程或S-N曲线方程进行寿命评估获得。

4.根据权利要求1所述的考虑瞬态历程温度影响的轮盘疲劳寿命设计方法，其特征在于，瞬态历程疲劳寿命确定方法为：根据应力谱及应力谱中的最大、最小值，计算平均应力、应变幅和极值的应力比，选择应变寿命曲线方程或S-N曲线方程进行寿命评估获得。

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