CN115795747B - 一种带挡边衬套的断裂预测方法 - Google Patents

一种带挡边衬套的断裂预测方法 Download PDF

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CN115795747B CN202310084937.0A CN202310084937A CN115795747B CN 115795747 B CN115795747 B CN 115795747B CN 202310084937 A CN202310084937 A CN 202310084937A CN 115795747 B CN115795747 B CN 115795747B
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Abstract

本发明提供了一种带挡边衬套的断裂预测方法，包括设计与待测带挡边衬套同材料的试棒，获取试棒的拉伸强度；对所述待测带挡边衬套进行压溃试验，获取所述待测带挡边衬套断裂时的压溃载荷；基于有限元法，获取所述待测带挡边衬套在压溃试验下的临界面区域，计算临界面区域内第一主应力平均值，使第一主应力平均值等于拉伸强度；获取所述待测带挡边衬套在工作条件下的第一主应力最大值的位置，并依据断裂安全系数、拉伸强度，对待测带挡边衬套进行断裂预测。本发明设计的方法的预测精度较高，且满足工程安全性与可靠性要求。

Description

一种带挡边衬套的断裂预测方法
技术领域
本发明涉及自润滑衬套断裂测试技术领域，具体为一种带挡边衬套的断裂预测方法。
背景技术
在航空发动机中，带挡边的衬套自润滑衬套是高温调节机构的重要组成部分之一，参见图1所示，带挡边的衬套包括筒体1和挡边2，筒体1为旋转副，进行旋转工作，挡边2主要起定位和冷却封严作用。在高温工作环境下自润滑衬套不仅承受作动筒的推力，还承受因变形不协调带来的不规则挤压，而常常因为其承载大及应力集中严重而出现断裂的情况，严重影响着调节机构运动稳定性和安全性，因此十分有必要进行衬套的断裂预测，保证调节机构的运行。
目前，衬套断裂预测方法主要采用压溃试验法，即参见图2所示，首先通过压溃试验获取衬套的压溃载荷
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；再通过公式/>
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；当衬套工作时最大局部单点拉伸应力
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达到压溃强度/>
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时，即/>
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预测衬套断裂，即则认为衬套断裂。
上述压溃试验方法主要采用单点最大应力法，其只适用于无挡边、等截面且沿轴向受均匀径向压力的衬套的断裂预测，对于带挡边的衬套，由于挡边2上和旋转轴上承受挤压力不均匀，进而会导致压溃试验很难模拟衬套实际工作的受力状态件，即压溃试验件和实际工作件在应力分布和应力梯度都有很大的差别，进而使得预测结果的误差往往在10%以上。
因此，有必要对带有挡边衬套的断裂预测方法进行设计，以降低预测误差。
发明内容
为了建立预测精度较高且满足工程安全性与可靠性要求的断裂预测方法，本发明设计了一种带挡边衬套的断裂预测方法。
实现发明目的的技术方案如下：一种带挡边衬套的断裂预测方法，包括以下步骤：
步骤1、设计与待测带挡边衬套同材料的试棒；
步骤2、获取所述试棒的拉伸强度
Figure SMS_12
；
步骤3、对所述待测带挡边衬套进行压溃试验，获取所述待测带挡边衬套断裂时的压溃载荷；
步骤4、基于有限元法，获取所述待测带挡边衬套在压溃试验下的应力分布，并绘制等应力线；
步骤5、依据等应力线，绘制所述待测带挡边衬套在压溃试验下的临界面区域，计算临界面区域内第一主应力平均值
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步骤6、获取所述待测带挡边衬套在工作条件下的第一主应力最大值的位置，计算所述临界面区域内第一主应力均值
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；
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、断裂安全系数K、拉伸强度/>
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，对所述待测带挡边衬套进行断裂预测。
进一步地，步骤1中，设计的所述试棒包括考核段，所述考核段的一端经第一过渡段连接有第一夹持段，所述考核段的另一端经第二过渡段连接有第二夹持段，且所述第一过渡段与所述第二过渡段相同，所述第一夹持段与所述第二夹持段相同。
可选的，所述第一夹持段和所述第二夹持段的直径D2大于等于所述考核段直径D1的2倍，且所述第一过渡段和所述第二过渡段的长度大于(D1-D2)/2。
进一步地，步骤3中，对所述待测带挡边衬套进行压溃试验，获取所述待测带挡边衬套断裂时的压溃载荷，包括：
步骤31、对所述待测带挡边衬套加载径向压溃载荷，获取所述待测带挡边衬套断裂时的径向压溃载荷
Figure SMS_19
。
步骤32、对所述待测带挡边衬套加载轴向压溃载荷，获取所述待测带挡边衬套断裂时的轴向压溃载荷
Figure SMS_20
。
可选的，步骤31中，对所述待测带挡边衬套加载径向压溃载荷时，所述待测带挡边衬套与测试装置的心轴之间的径向间隙范围为所述待测带挡边衬套内径的5%~10%。
步骤32中，对所述待测带挡边衬套加载轴向压溃载荷时，所述待测带挡边衬套与测试装置的心轴之间的径向间隙范围为所述待测带挡边衬套内径的3%~6%。
可选的，步骤31中径向压溃载荷
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和步骤32中轴向压溃载荷/>
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为待测带挡边衬套的套筒外径。
进一步地，步骤4中，基于有限元法，获取所述待测带挡边衬套在压溃试验下的应力分布，并绘制等应力线，包括：
步骤41、基于有限元法，模拟径向压溃载荷
Figure SMS_29
，对所述待测带挡边衬套进行弹性应力分析，获取所述待测带挡边衬套的筒体内壁上最大第一主应力点，并以该最大第一主应力点为中心在衬套子午面上绘制第一主应力的等应力线。/>
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，对所述待测带挡边衬套进行弹性应力分析，获取所述待测带挡边衬套的筒体与挡边之间转接倒圆上的最大第一主应力点，并以该最大第一主应力点为中心在衬套子午面上绘制第一主应力的等应力线。
进一步地，步骤5中，依据等应力线，绘制所述待测带挡边衬套在压溃试验下的临界面区域，计算临界面区域内第一主应力平均值
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为优弧的半径。
进一步地，步骤6中，所述待测带挡边衬套在工作条件下的第一主应力最大值的位置包括在所述筒体内壁上或在所述转接倒圆上。
进一步地，步骤7中，当第一主应力最大值的位置在所述筒体内壁上时，断裂安全系数K为1.2，且当
Figure SMS_58
时，预测所述待测带挡边衬套断裂；
或，当第一主应力最大值的位置在所述转接倒圆上时，断裂安全系数K为1.3，且当
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时，预测所述待测带挡边衬套断裂；其中，/>
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与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明设计的带挡边衬套的断裂预测方法，适用于带挡边衬套在各种工作条件下的断裂预测，特别适用于在高温环境中工作的带挡边衬套的断裂预测。上述方法对不同尺寸的衬套试验结果进行预测，其预测误差在5%以内，能够满足计算精度的工程需要。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述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发明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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他的附图。
图1为具体实施方式中待测带挡边衬套的示意图；
图2为现有的压溃试验法的示意图；
图3为具体实施方式中待测带挡边衬套断裂预测方法的流程图；
图4为具体实施方式中试棒的示意图；
图5为具体实施方式中对待测带挡边衬套进行径向压溃试验的示意图；
图6为具体实施方式中对待测带挡边衬套进行轴向压溃试验的示意图；
图7为具体实施方式中筒体内壁形成临界面区域
Figure SMS_62
的示意图；
图8为具体实施方式中转接倒圆上形成临界面区域
Figure SMS_63
的示意图；
其中，1.筒体；2.挡边；3.考核段；4.第一过渡段；5.第一夹持段；6.第二过渡段；7.第二夹持段。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
本具体实施方式提供了一种带挡边衬套的断裂预测方法，参见图3所示，包括以下步骤：
步骤1、设计与待测带挡边衬套同材料的试棒。
步骤2、获取所述试棒的拉伸强度
Figure SMS_64
。
步骤3、对所述待测带挡边衬套进行压溃试验，获取所述待测带挡边衬套断裂时的压溃载荷，包括：
步骤31、对所述待测带挡边衬套加载径向压溃载荷，获取所述待测带挡边衬套断裂时的径向压溃载荷
Figure SMS_65
；
步骤32、对所述待测带挡边衬套加载轴向压溃载荷，获取所述待测带挡边衬套断裂时的轴向压溃载荷
Figure SMS_66
。
步骤4、基于有限元法，获取所述待测带挡边衬套在压溃试验下的应力分布，并绘制等应力线，包括:
步骤41、基于有限元法，模拟径向压溃载荷
Figure SMS_67
，对所述待测带挡边衬套进行弹性应力分析，获取所述待测带挡边衬套的筒体内壁上最大第一主应力点，并以该最大第一主应力点为中心在衬套子午面上绘制第一主应力的等应力线;/>
步骤42、基于有限元法，模拟轴向压溃载荷
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，对所述待测带挡边衬套进行弹性应力分析，获取所述待测带挡边衬套的筒体与挡边之间转接倒圆上的最大第一主应力点，并以该最大第一主应力点为中心在衬套子午面上绘制第一主应力的等应力线。
步骤5、依据等应力线，绘制所述待测带挡边衬套在压溃试验下的临界面区域，计算临界面区域内第一主应力平均值
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步骤6、获取所述待测带挡边衬套在工作条件下的第一主应力最大值的位置，计算所述临界面区域内第一主应力均值
Figure SMS_84
；
本步骤中，所述待测带挡边衬套在工作条件下的第一主应力最大值的位置包括在所述筒体内壁上或在所述转接倒圆上。
步骤7、依据第一主应力最大值的位置、所述临界面区域内第一主应力均值
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，对所述待测带挡边衬套进行断裂预测。
其中，当第一主应力最大值的位置在所述筒体内壁上时，断裂安全系数K为1.2，且当
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时，预测所述待测带挡边衬套断裂；
或，当第一主应力最大值的位置在所述转接倒圆上时，断裂安全系数K为1.3，且当
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本发明设计的带挡边衬套的断裂预测方法，其原理是：首先，通过试棒的拉伸试验获取自润滑材料的拉伸强度；其次，对待测带挡边衬套进行压溃试验，获取待测带挡边衬套断裂时的临界区域面；再次，通过有限元法，分析工作载荷下自润滑衬套临界区域面内的第一主应力平均值；最后，获取自润滑材料的拉伸强度和临界区域面内的平均应力比值关系，对待测带挡边衬套是否断裂及断裂位置进行预测。
在一个实施例中，上述步骤1中，参见图4所示，设计与自润滑衬套同材料的试棒，包括考核段3，所述考核段3的一端经第一过渡段4连接有第一夹持段5，所述考核段3的另一端经第二过渡段6连接有第二夹持段7，且所述第一过渡段4与所述第二过渡段6相同，所述第一夹持段5与所述第二夹持段7相同。
可选的，所述第一夹持段5和所述第二夹持段7的直径D2大于等于所述考核段3直径D1的2倍，且所述第一过渡段4和所述第二过渡段6的长度大于(D1-D2)/2。具体的，所述第一夹持段5和所述第二夹持段7的直径D2应大于8mm，且所述考核段3直径D1应大于12mm。
在一个实施例中，上述步骤3中，参见图5所示，为对待测带挡边衬套进行径向压溃试验的示意图。参见图6所示，为对待测带挡边衬套进行轴向压溃试验的示意图。步骤31中，对所述待测带挡边衬套加载径向压溃载荷时，所述待测带挡边衬套与测试装置的心轴之间的径向间隙范围为所述待测带挡边衬套内径的5%~10%。步骤32中，对所述待测带挡边衬套加载轴向压溃载荷时，所述待测带挡边衬套与测试装置的心轴之间的径向间隙范围为所述待测带挡边衬套内径的3%~6%。
可选的，步骤31中径向压溃载荷
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在一个实施例中，上述步骤51中，劣弧与筒体上的第一主应力的等应力线应保证至少三点重合，参见图7所示为所述筒体内壁形成临界面区域
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（图7中所示的阴影部分）的示意图。上述步骤52中，优弧与转接倒圆上的第一主应力的等应力线应保证至少三点重合，参见图8所示为转接倒圆上形成临界面区域/>
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（图8中所示的阴影部分）的示意图。
可选的，上述步骤51中，第一主应力平均值
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；步骤52中，第一主应力平均值/>
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为优弧的半径。
本发明设计的带挡边衬套的断裂预测方法，适用于带挡边衬套在各种工作条件下的断裂预测，特别适用于在高温环境中工作的带挡边衬套的断裂预测。上述方法对不同尺寸的衬套试验结果进行预测，其预测误差在5%以内，能够满足计算精度的工程需要。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种带挡边衬套的断裂预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、设计与待测带挡边衬套同材料的试棒；
步骤2、获取所述试棒的拉伸强度
Figure QLYQS_1
；
步骤3、对所述待测带挡边衬套进行压溃试验，获取所述待测带挡边衬套断裂时的压溃载荷，包括：
步骤31、对所述待测带挡边衬套加载径向压溃载荷，获取所述待测带挡边衬套断裂时的径向压溃载荷
Figure QLYQS_2
；
步骤32、对所述待测带挡边衬套加载轴向压溃载荷，获取所述待测带挡边衬套断裂时的轴向压溃载荷
Figure QLYQS_3
；
步骤4、基于有限元法，获取所述待测带挡边衬套在压溃试验下的应力分布，并绘制等应力线；
步骤5、依据等应力线，绘制所述待测带挡边衬套在压溃试验下的临界面区域，计算临界面区域内第一主应力平均值
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，使第一主应力平均值/>
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步骤6、获取所述待测带挡边衬套在工作条件下的第一主应力最大值的位置，计算所述临界面区域内第一主应力均值
Figure QLYQS_7
；
步骤7、依据第一主应力最大值的位置、所述临界面区域内第一主应力均值
Figure QLYQS_8
、断裂安全系数K、拉伸强度/>
Figure QLYQS_9
，对所述待测带挡边衬套进行断裂预测。
2.根据权利要求1所述的带挡边衬套的断裂预测方法，其特征在于：步骤1中，设计的所述试棒包括考核段，所述考核段的一端经第一过渡段连接有第一夹持段，所述考核段的另一端经第二过渡段连接有第二夹持段，且所述第一过渡段与所述第二过渡段相同，所述第一夹持段与所述第二夹持段相同。
3.根据权利要求1所述的带挡边衬套的断裂预测方法，其特征在于：步骤31中，对所述待测带挡边衬套加载径向压溃载荷时，所述待测带挡边衬套与测试装置的心轴之间的径向间隙范围为所述待测带挡边衬套内径的5%~10%；
步骤32中，对所述待测带挡边衬套加载轴向压溃载荷时，所述待测带挡边衬套与测试装置的心轴之间的径向间隙范围为所述待测带挡边衬套内径的3%~6%。
4.根据权利要求1所述的带挡边衬套的断裂预测方法，其特征在于：步骤31中径向压溃载荷
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和步骤32中轴向压溃载荷/>
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的加载方法为：以设定载荷/>
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为基准，以设定速率加载压溃载荷；
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为待测带挡边衬套的内径；/>
Figure QLYQS_17
为待测带挡边衬套的套筒外径。
5.根据权利要求1所述的带挡边衬套的断裂预测方法，其特征在于：步骤4中，基于有限元法，获取所述待测带挡边衬套在压溃试验下的应力分布，并绘制等应力线，包括：
步骤41、基于有限元法，模拟径向压溃载荷
Figure QLYQS_18
，对所述待测带挡边衬套进行弹性应力分析，获取所述待测带挡边衬套的筒体内壁上最大第一主应力点，并以该最大第一主应力点为中心在衬套子午面上绘制第一主应力的等应力线；
步骤42、基于有限元法，模拟轴向压溃载荷
Figure QLYQS_19
，对所述待测带挡边衬套进行弹性应力分析，获取所述待测带挡边衬套的筒体与挡边之间转接倒圆上的最大第一主应力点，并以该最大第一主应力点为中心在衬套子午面上绘制第一主应力的等应力线。
6.根据权利要求5所述的带挡边衬套的断裂预测方法，其特征在于：步骤5中，依据等应力线，绘制所述待测带挡边衬套在压溃试验下的临界面区域，计算临界面区域内第一主应力平均值
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Figure QLYQS_34
。
7.根据权利要求6所述的带挡边衬套的断裂预测方法，其特征在于：步骤51中，第一主应力平均值
Figure QLYQS_35
的计算公式为/>
Figure QLYQS_36
；
步骤52中，第一主应力平均值
Figure QLYQS_38
的计算公式为/>
Figure QLYQS_41
；其中，
Figure QLYQS_44
为临界面区域/>
Figure QLYQS_39
内第一主应力总力,/>
Figure QLYQS_42
为临界面区域/>
Figure QLYQS_43
内第一主应力总力，/>
Figure QLYQS_46
为劣弧的圆心角，/>
Figure QLYQS_37
为优弧的圆心角，/>
Figure QLYQS_40
为劣弧的半径，/>
Figure QLYQS_45
为优弧的半径。
8.根据权利要求5所述的带挡边衬套的断裂预测方法，其特征在于：步骤6中，所述待测带挡边衬套在工作条件下的第一主应力最大值的位置包括在所述筒体内壁上或在所述转接倒圆上。
9.根据权利要求8所述的带挡边衬套的断裂预测方法，其特征在于：步骤7中，当第一主应力最大值的位置在所述筒体内壁上时，断裂安全系数K为1.2，且当
Figure QLYQS_47
时，预测所述待测带挡边衬套断裂；/>
或，当第一主应力最大值的位置在所述转接倒圆上时，断裂安全系数K为1.3，且当
Figure QLYQS_48
时，预测所述待测带挡边衬套断裂；其中，/>
Figure QLYQS_49
为拉伸强度，/>
Figure QLYQS_50
为临界面区域内第一主应力均值。/>
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