CN115577538B - 一种基于产品失效机理的机械产品加速寿命试验设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于发动机试验技术领域，具体涉及一种基于产品失效机理的机械产品加速寿命试验设计方法。该方法包括步骤S1、确定机械产品结构的存在损耗的各最低约定层次单元的失效机理；步骤S2、基于最低约定层次单元的失效机理对应的失效机理模型，计算耗损性失效时间；步骤S3、基于所述失效机理构建多个加速载荷谱，并分别计算各加速载荷谱的加速因子；步骤S4、构建加速因子矩阵，确定所述加速因子矩阵中各列标准差，将标准差最小对应的列中最小的加速因子作为综合加速因子；步骤S5、按设定原则对对常规应力试验载荷谱进行调整，制定高应力载荷谱；步骤S6、确定所述机械产品结构全寿命期最终的加速等效试验时间。本申请缩短了试验周期。

Description

一种基于产品失效机理的机械产品加速寿命试验设计方法

技术领域

本申请属于发动机试验技术领域，具体涉及一种基于产品失效机理的机械产品加速寿命试验设计方法。

背景技术

随着现代高新技术武器装备的更新换代速度越来越快，研制周期越来越短，用户对先进、可靠航空发动机的需求越来迫切，如何在规定的产品研制周期内，以较低的成本研制出长寿命、高可靠航空发动机产品已经成为航空发动机研发人员的关注重点。按照目前基于环境条件模拟的寿命试验方法来验证其寿命指标，不论从费用方面，还是从研制进度方面，事实上已经无法承受。因此，需要引入一种基于产品失效机理的加速寿命试验验证技术，来实现对产品长寿命指标的准确、高效验证。

公开的现有技术方面，试验方法上，产品加速寿命的试验方法均是采用不同应力水平下获得产品的疲劳数据并采用统计学数据处理的方法确定加速寿命因子，这种方法依赖于大量的产品试验结果，有着典型的时间长、成本高的特点，不满足航空发动机机械产品单价高、小样本、研制周期短等研制特点；试验对象上，现有的加速寿命试验方法适用于电子类产品，通常采用温度应力、振动应力和电应力等加速方式实现对电子产品可靠性指标的验证；针对机械类产品通常采用国外经验的方式确定加速寿命因子，没有考虑国内航空发动机配套机械产品结构、材料和失效机理的差异性，导致试验验证过程中存在验证不足或“过验证”的问题，不能准确验证产品的寿命指标或得不到有效的验证结果。另一类针对单一结构单一失效机理的危险部位的考核，不能将产品作为一个系统综合考核，也容易造成验证不足或“过验证”的问题。

现有技术存在以下缺点：

1)尚未形成统一规范、完整的产品加速寿命试验设计方法，已有的加速寿命因子确定方法不适用于航空发动机配套机械类产品的加速寿命因子确定，存在通用性不强的问题；

2)现行加速寿命因子确定方法存在试验样本量大、试验周期长和试验费用高的特点，不适用于航空发动机机械产品试验样本量小(不超过2件)、单品成本高、研制周期短的特点；

3)基于产品的研制经验，按照国外经验借鉴的方式确定加速寿命因子，没有考虑国内产品结构和材料性能的差异性，加速寿命试验载荷和试验时间确定不科学、不合理；

4)不能根据产品的失效机理和敏感应力合理确定产品的加速寿命因子和加速寿命试验方案，导致试验验证过程中存在验证不足或“过验证”的问题，不能准确验证产品的寿命指标或得不到有效的验证结果。

发明内容

为了解决上述问题之一，本申请提供了一种基于产品失效机理的机械产品加速寿命试验设计方法，主要包括：

步骤S1、确定机械产品结构的存在损耗的各最低约定层次单元的失效机理；

步骤S2、基于最低约定层次单元的失效机理对应的失效机理模型，计算耗损性失效时间；

步骤S3、基于所述失效机理构建多个加速载荷谱，并分别计算各加速载荷谱的加速因子，其中，每个最低约定层次单元的每一个加速载荷谱对应于一个加速因子，所述加速因子A_f是指常规载荷谱下累计损伤达到所述耗损性失效时间时经历的循环次数与加速载荷谱下累计损伤达到所述耗损性失效时间时经历的循环次数的比值；

步骤S4、构建加速因子矩阵，所述加速因子矩阵中的值A_fxy表示第x个最低约定层次单元，在不同失效机理组合形成的加速载荷谱y作用下的加速因子，确定所述加速因子矩阵中各列标准差，将标准差最小对应的列中最小的加速因子作为综合加速因子；

步骤S5、按设定原则对对常规应力试验载荷谱进行调整，制定高应力载荷谱，以使得所述高应力载荷谱计算的各最低约定层次单元的加速因子中的最小值在所述综合加速因子构建的调整范围内；

步骤S6、基于所述综合加速因子，确定所述机械产品结构全寿命期最终的加速等效试验时间。

优选的是，步骤S1中，确定机械产品结构的各失效机理包括：

步骤S11、对所述机械产品结构进行层次分解，确定最低约定层次；

步骤S12、确定所述最低约定层次的工作载荷及环境载荷；

步骤S13、基于所述工作载荷及环境载荷确定寿命期内是否存在对所述最低约定层次的损耗，确定耗损性失效机理。

优选的是，步骤S12中，所述工作载荷包括但不限于压力、行程、负载力，所述环境载荷包括但不限于振动、温度。

优选的是，步骤S2中，失效机理对应的失效机理模型包括：

针对疲劳失效机理选取的Baquin模型、T-K模型、Coffin-Manson模型中的一种或多种；

针对磨损失效机理选取的Archard模型、Rabinowicz模型、Halling-Finkin模型中的一种或多种；

针对老化失效机理选取的Kinetic模型、Maxwell模型中的一种或多种。

优选的是，步骤S3中，失效机理的加速因子为：

其中，N_DC为常规载荷谱下，累积损伤达到D时经历的循环次数；N_DJ为加速载荷谱下，累积损伤达到D时经历的循环次数。

优选的是，步骤S6中，加速等效试验时间T_{总加速寿命}为：

式中K为分散系数，T_目标寿命为所述机械产品结构的寿命考核指标；T_{常规载荷谱等效时间}为常规载荷谱的等效试验时间，T_{单循环的加速试验时间}为单一循环加速试验的试验时间。

相对现有技术，本申请具有如下优点：

1)建立了基于产品失效机理的机械产品加速寿命试验设计方法的工作流程，完善了航空发动机机械产品加速寿命试验设计方法，具有广泛的适用性；

2)建立了基于产品失效机理的机械产品加速因子计算方法，在不依赖大量试验数据的条件，采用仿真分析方式获得产品不同失效机理的加速因子，满足了航空发动机机械类产品小子样、低成本、准确确定产品加速寿命因子的需求；

3)建立了基于产品失效机理的加速寿命因子矩阵的计算方法，提升了发动机机械产品加速寿命试验载荷和试验时间确定的有效性和准确性；

4)形成了适用于航空发动机机械产品寿命试验设计方法，试验结果表明在不改变产品失效机理的条件下能够实现对发动机机械产品长寿命指标有效验证，为航空发动机机械产品的设计和改进提供了技术支撑。

附图说明

图1为本申请基于产品失效机理的机械产品加速寿命试验设计方法的一优选实施例的流程图。

图2为本申请一优选实施例的机械液压作动筒产品结构分解示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

本申请提供了一种基于产品失效机理的机械产品加速寿命试验设计方法，如图1所示，主要包括：

步骤S1、确定机械产品结构的存在损耗的各最低约定层次单元的失效机理。

在一些可选实施方式中，确定机械产品结构的存在损耗的各最低约定层次单元的失效机理包括：

步骤S11、对所述机械产品结构进行层次分解，确定最低约定层次；

步骤S12、确定所述最低约定层次的工作载荷及环境载荷；

步骤S13、基于所述工作载荷及环境载荷确定寿命期内是否存在对所述最低约定层次的损耗，确定损耗失效机理。

该实施例中，机械产品失效机理分析包括产品结构分解、载荷分析、确定机理和机理合并等4个子步骤，其中，结构分解，主要结合产品的结构组成、工作原理及工作特性等方面的相关信息进行结构层次分解，分为初始约定层次、约定层次、最低约定层次，绘制产品结构层次图，确定机理分析的最低约定层次，对于复杂结构单一零件也应作为一个系统考虑，包含多个危险部位；载荷分析，主要根据产品最低约定层次分析各组成零部件的工作载荷和环境载荷，完成产品最低约定层次载荷分析汇总表表1内容编制；其中工作载荷包括压力、行程、负载力等，环境载荷包括：振动、温度等；确定机理，针对每一种最低约定层次单元，分析寿命期内是否存在耗损性失效机理，明确是否需要进行耗损性失效时间计算，完成产品最低约定层次机理分析汇总表表2内容编制；机理合并，主要针对最低约定层次单元的多失效机理进行合并，明确产品最低约定层次的全部失效机理，完成机理汇总表表3内容编制。

表1产品最低约定层次载荷分析汇总表

表2产品最低约定层次机理分析汇总表

序号	最低约定层次单元名称	耗损型失效机理分析结论	是否需要计算耐久性指标
				1			是/否

表3最低约定层次单元机理合并结果汇总表

以机械液压作动筒耐久性试验载荷谱(载荷、油温、环境温度、振动谱)为例，分析确定了产品全寿命周期内所有可能的工作载荷和环境载荷类型。

首先确定发动机机械液压作动筒功能、组成结构和常规试验载荷谱，产品分解结构分解如图2所示。之后，通过载荷分析，作动筒的工作载荷类型有：负载力、压力(油压)、行程、频率、油温；环境载荷类型有：环境温度、振动。按照编码则将该产品的工作载荷编码为A，B，C，D，E，环境载荷编码为F，G。最低约定层次载荷分析、机理分析和机理合并结果汇总表详见表4、表5和表6。

表4产品最低约定层次载荷分析汇总表

表5产品最低约定层次机理分析汇总表

表6最低约定层次单元机理合并结果汇总表

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步骤S2、基于最低约定层次单元的失效机理对应的失效机理模型，计算耗损性失效时间。

该实施例中，应用Ansys、MSC.Fatigue、Fluent等商业软件，依据最低约定层次的失效机理和失效机理模型，如：疲劳失效机理的计算模型包括Baquin模型、T-K模型、Coffin-Manson模型等；磨损寿命模型主要包括Archard模型、Rabinowicz模型、Halling-Finkin模型等；老化寿命模型主要包括Kinetic模型、Maxwell模型等；完成构件的温度应力、疲劳应力、振动应力等寿命分析，获得典型结构典型响应失效机理的耗损性失效时间和耐久性薄弱环节。仍以上述实施例为例，获得机械液压作动筒最低约定层次单元失效机理的耗损性失效时间和耐久性薄弱环节，这里的耐久性薄弱环节是需要考核的最低约定层次单元，参见表7；同时确定产品的理论寿命为34500小时，满足产品研制的寿命指标要求；

表7最低约定单元耗损型失效时间计算结果

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步骤S3、基于所述失效机理构建多个加速载荷谱，并分别计算各加速载荷谱的加速因子，其中，每个最低约定层次单元的每一个加速载荷谱对应于一个加速因子，所述加速因子A_f是指常规载荷谱下累计损伤达到所述耗损性失效时间时经历的循环次数与加速载荷谱下累计损伤达到所述耗损性失效时间时经历的循环次数的比值。

在该步骤中，基于线性累积损伤理论，定义不同失效机理下的加速因子为在相同的累积损伤D下，不同载荷谱对应的循环次数之比，记为A_f，计算公式为：

其中，N_DC为常规载荷谱下，累积损伤达到D时经历的循环次数；N_DJ为加速载荷谱下，累积损伤达到D时经历的循环次数。

依据产品的常规试验载荷谱，按照等效加速公式1，对低应力的试验载荷谱等效换算成高应力试验载荷谱，分别获得常规载荷条件下的循环次数和加速载荷条件下的循环次数，按照公式1计算相应失效机理条件下的加速寿命因子。

仍以上述机械液压作动筒为例，依据机械液压作动筒常规试验载荷谱，对低应力的试验载荷谱等效换算成高应力试验载荷谱，分别获得常规载荷条件下的循环次数和加速载荷条件下的循环次数，常规载荷条件如表8所示，表8给出了相当于600飞行小时寿命的试验载荷谱。

针对表8，构建了多个加速载荷谱，并计算加速因子如表9所示，这里给出的加速载荷谱例如对自锁螺母，或者活塞杆接头，或者活塞杆，这几个最低约定层次单元，可以构建3200N的加速载荷谱，也可以构建2300N载荷谱，还可以构建1200N的加速载荷谱，对于筒体-保护圈，或者保护圈-活塞杆，可以构建行程为46mm的加速载荷谱，也可以构建行程为23mm的加速载荷谱。

表8相当于600飞行小时寿命试验载荷谱

表9作动筒最低约定层级不同失效机理的加速因子计算结果

步骤S4、构建加速因子矩阵，所述加速因子矩阵中的值A_fxy表示第x个最低约定层次单元，在不同失效机理组合形成的加速载荷谱y作用下的加速因子，确定所述加速因子矩阵中各列标准差，将标准差最小对应的列中最小的加速因子作为综合加速因子。

该步骤包括加速因子矩阵构建、加速因子标准差计算和确定综合加速因子等3个子步骤；其中，构建加速因子矩阵，依据产品机理失效分析的结果，假设产品由m个应力水平，n个薄弱环节的加速因子构建加速因子矩阵,如公式2；加速因子标准差计算，依据公式3计算矩阵中不同列向量的标准差σ_Af；确定综合加速因子，根据标准差的计算结果选取标准差最小的列向量中最小的加速系数，确定产品的综合加速因子。一般来说，机械产品的综合加速因子的取值区间为2—15。

式中A_fnm为产品在第n个薄弱环节，第m个应力条件下的加速寿命因子。

式中σ_Af为加速因子的标准差；n为产品薄弱环节的数量；A_fxy为在第x个薄弱环节，第y个应力条件下的加速寿命因子。

仍以上述机械液压作动筒为例，针对机械液压作动筒存在5个薄弱环节和6个应力水平，基于表9构建加速因子矩阵如下。

在该加速因子矩阵中，第一列表示5个薄弱环节(表9中的5个最低约定层次单元)在3200N载荷谱的应力水平及行程为46mm的应力条件下的各加速因子，第二列表示5个薄弱环节在2300N载荷谱的应力水平及行程为46mm的应力条件下的各加速因子，第三列表示5个薄弱环节在1200N载荷谱的应力水平及行程为46mm的应力条件下的各加速因子，第四列表示5个薄弱环节在3200N载荷谱的应力水平及行程为24mm的应力条件下的各加速因子，第五列表示5个薄弱环节在2300N载荷谱的应力水平及行程为24mm的应力条件下的各加速因子，第六列表示5个薄弱环节在1200N载荷谱的应力水平及行程为24mm的应力条件下的各加速因子。

之后计算各列的标准差，计算结果表明，第三列的标准差最小，该列中最小的加速因子为4.79，因此，将4.79作为综合加速因子。

步骤S5、按设定原则对对常规应力试验载荷谱进行调整，制定高应力载荷谱，以使得所述高应力载荷谱计算的各最低约定层次单元的加速因子中的最小值在所述综合加速因子构建的调整范围内。

需要说明的是，这里的调整范围例如是综合加速因子的20％的上下浮动范围，或者是10％的上下浮动范围。

该步骤的调整为试调整，即不断调整试验参数，直至满足调整条件，这里的设定原则包括：

(1)保证产品工况不变；(2)保持总循环次数不变；(3)减少低应力循环次数而相应增加高应力循环次数。

如表10所示，左侧为常规应力试验载荷谱(等效600飞行小时)，右边为调整后的高应力载荷谱，合计循环次数均为92400次，某次调整后的高应力载荷谱计算的加速因子如表11所示。通过表11可以看出，加速因子中的最小值4.17接近步骤S4计算的综合加速因子4.79，因此，这次调整符合要求。

表10高应力载荷谱

表11高应力载荷谱的加速因子计算结果

编号	最低约定层次单元	加速因子计算结果
			1	自锁螺母	7.64
2	活塞杆接头	4.89
			3	活塞杆	5.58
4	筒体-保护圈	4.17
			5	保护圈-活塞杆	4.17

步骤S6、基于所述综合加速因子或者所述高应力载荷谱计算的各最低约定层次单元的加速因子中的最小值，确定所述机械产品结构全寿命期最终的加速等效试验时间。

该步骤用于确定最终的加速试验载荷谱，依据确定的综合加速因子和应力水平，对高应力试验载荷谱进行等效折算，形成最终的加速试验载荷谱。

该步骤的加速等效试验时间T_{总加速寿命}为：

式中K为分散系数，T_目标寿命为所述机械产品结构的寿命考核指标；T_{常规载荷谱等效时间}为常规载荷谱的等效试验时间，T_{单循环的加速试验时间}为单一循环加速试验的试验时间。

这里，计算加速等效试验时间可以使用综合加速因子4.79，也可以使用高应力载荷谱计算的各最低约定层次单元的加速因子中的最小值4.17，备选实施方式中，还可以使用高应力载荷谱计算的各最低约定层次单元的加速因子中的最小值的约值，例如向下取整后取值为4.0。

以向下取整后的4.0为例，折算循环次数见表12所示。这里折算循环次数为表10中的循环次数除以4。

表12加速寿命试验载荷谱

序号	载荷N	行程mm	频率/分钟	折算循环次数＝循环次数/加速因子	试验时间/小时
						1	3200	46	25	75	0.05
2	1200	46	60	18975	5.271
						3	0	12	60	1250	0.347
4	2300	46	25	25	0.017
						5	1000	24	25	37.5	0.025
6	0	10	60	1250	0.347
						7	450	46	25	50	0.033
8	350	24	25	37.5	0.025
						9	0	4	60	1250	0.347
10	600	20	25	75	0.05
						11	600	20	25	75	0.05
合计				23101	6.563

该步骤中，K为考虑机械产品结构、材料等产品分散系数，一般对寿命超过5000小时的机械产品可取1.2倍，则机械液压作动筒全寿命期15000小时的最终的加速等效试验时间为196.9小时，计算结果参见公式5。

本申请建立了基于产品失效机理的机械产品加速寿命试验设计方法的工作流程，完善了航空发动机机械产品加速寿命试验设计方法，具有广泛的适用性。

本申请建立了基于产品失效机理的机械产品加速因子计算方法，在不依赖大量试验数据的条件，采用仿真分析方式获得产品不同失效机理的加速因子，满足了航空发动机机械类产品小子样、低成本、准确确定产品加速寿命因子的需求。

本申请建立了基于产品失效机理的加速寿命因子矩阵的计算方法，提升了发动机机械产品加速寿命试验载荷和试验时间确定的有效性和准确性。

本申请形成了适用于航空发动机机械产品寿命试验设计方法，试验结果表明在不改变产品失效机理的条件下能够实现对发动机机械产品长寿命指标有效验证，为航空发动机机械产品的设计和改进提供了技术支撑

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本申请作了详尽的描述，但在本申请基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本申请精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本申请要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于产品失效机理的机械产品加速寿命试验设计方法，其特征在于，包括：

步骤S1、确定机械产品结构的存在损耗的各最低约定层次单元的失效机理；

步骤S2、基于最低约定层次单元的失效机理对应的失效机理模型，计算耗损性失效时间；

步骤S3、基于所述失效机理构建多个加速载荷谱，并分别计算各加速载荷谱的加速因子，其中，每个最低约定层次单元的每一个加速载荷谱对应于一个加速因子，所述加速因子A_f是指常规载荷谱下累计损伤达到所述耗损性失效时间时经历的循环次数与加速载荷谱下累计损伤达到所述耗损性失效时间时经历的循环次数的比值；

步骤S4、构建加速因子矩阵，所述加速因子矩阵中的值A_fxy表示第x个最低约定层次单元，在不同失效机理组合形成的加速载荷谱y作用下的加速因子，确定所述加速因子矩阵中各列标准差，将标准差最小对应的列中最小的加速因子作为综合加速因子；

步骤S5、按设定原则对对常规应力试验载荷谱进行调整，制定高应力载荷谱，以使得所述高应力载荷谱计算的各最低约定层次单元的加速因子中的最小值在所述综合加速因子构建的调整范围内；

步骤S6、基于所述综合加速因子或者所述高应力载荷谱计算的各最低约定层次单元的加速因子中的最小值，确定所述机械产品结构全寿命期最终的加速等效试验时间；

步骤S6中，加速等效试验时间T_{总加速寿命}为：

式中K为分散系数，T_目标寿命为所述机械产品结构的寿命考核指标；T_{常规载荷谱等效时间}为常规载荷谱的等效试验时间，T_{单循环的加速试验时间}为单一循环加速试验的试验时间。

2.如权利要求1所述的基于产品失效机理的机械产品加速寿命试验设计方法，其特征在于，步骤S1中，确定机械产品结构的各失效机理包括：

步骤S11、对所述机械产品结构进行层次分解，确定最低约定层次；

步骤S12、确定所述最低约定层次的工作载荷及环境载荷；

步骤S13、基于所述工作载荷及环境载荷确定寿命期内是否存在对所述最低约定层次的损耗，确定耗损性失效机理。

3.如权利要求2所述的基于产品失效机理的机械产品加速寿命试验设计方法，其特征在于，步骤S12中，所述工作载荷包括但不限于压力、行程、负载力，所述环境载荷包括但不限于振动、温度。

4.如权利要求1所述的基于产品失效机理的机械产品加速寿命试验设计方法，其特征在于，步骤S2中，失效机理对应的失效机理模型包括：

针对疲劳失效机理选取的Baquin模型、T-K模型、Coffin-Manson模型中的一种或多种；

针对磨损失效机理选取的Archard模型、Rabinowicz模型、Halling-Finkin模型中的一种或多种；

针对老化失效机理选取的Kinetic模型、Maxwell模型中的一种或多种。

5.如权利要求1所述的基于产品失效机理的机械产品加速寿命试验设计方法，其特征在于，步骤S3中，失效机理的加速因子为：

其中，N_DC为常规载荷谱下，累积损伤达到D时经历的循环次数；N_DJ为加速载荷谱下，累积损伤达到D时经历的循环次数。