CN115855654A - 一种综合评价结构材料力学性能的多参数图示方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于结构强度设计领域，特别涉及一种综合评价结构材料力学性能的多参数图示方法。包括：根据航空发动机结构的典型特征部位设计对应的试验件；对试验件进行静力拉伸试验，得到拉伸极限强度；分别对试验件进行疲劳萌生寿命试验、持久寿命试验以及裂纹扩展寿命试验，得到的疲劳萌生寿命试验寿命值、持久寿命试验寿命值以及裂纹扩展寿命试验寿命值；根据试验载荷以及试验件的截面几何尺寸，计算出试验件的净截面名义峰值应力值，并根据净截面名义峰值应力值以及拉伸极限强度计算出强度储备系数；以强度储备系数为横坐标，以对数寿命为纵坐标，绘制强度储备系数与寿命关系图。本申请实现了疲劳萌生寿命、持久寿命和裂纹扩展寿命关系的综合表示。

Description

一种综合评价结构材料力学性能的多参数图示方法

技术领域

本申请属于结构强度设计领域，特别涉及一种综合评价结构材料力学性能的多参数图示方法。

背景技术

民用和军事需求的发展，对航空发动机的工作性能、耐久性、可靠性和可维修性的要求日益提高，促进了航空发动机结构强度设计技术及其所用材料与材料性能数据的不断进步与完善。在航空发动机的方案设计阶段，一般只对零件进行简单的静强度估算，当结构满足静强度储备要求时，就可以进一步的开展结构的技术和详细设计。在技术设计和详细设计阶段，需要对零件进行寿命计算，包括疲劳裂纹萌生寿命计算、持久寿命计算和疲劳裂纹扩展寿命计算。当计算表明设计方案不满足某种寿命指标要求时，例如疲劳萌生寿命、持久寿命或者疲劳裂纹寿命，往往还要返回到方案设计，对设计方案进行大的调整，进而影响设计周期。这也说明对于选定的材料方案而言，满足静强度储备要求未必都能够满足寿命的设计要求，需要调整静强度储备使得寿命指标都满足设计要求。

在进行结构寿命设计时，往往需要借助于材料的寿命曲线，这些曲线一般都是描述单一失效模式的曲线，比如低循环疲劳寿命曲线、持久寿命曲线或者裂纹扩展速率曲线，而且这些曲线多是以应力或应力强度因子为自变量，通过应力-疲劳寿命曲线、应力-持久寿命曲线和裂纹扩展速率曲线分别表征材料的疲劳性能、持久性能和裂纹扩展性能。这种表示方法，更多的与试验条件相对应，反映了在给定条件下材料所经历的应力与疲劳寿命、持久寿命和裂纹扩展寿命的关系。但是，这种表示方法不能很好的体现不同参数和应力组合条件下与寿命之间的关系，不能直观的表达低温度大应力与高温度小应力可能具有相同疲劳寿命，小应力集中大平均应力与大应力集中小平均应力可能具有相同的持久寿命的情况。同时，目前的表示方法未能将结构强度设计用的最基本的静强度储备系数与疲劳寿命、持久寿命和裂纹扩展寿命之间建立关联关系。进而造成当选择不合适的静强度储备系数时，存在某个寿命指标满足要求而其它寿命指标不满足的情况。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

发明内容

本申请的目的是提供了一种综合评价结构材料力学性能的多参数图示方法，以解决现有技术存在的至少一个问题。

本申请的技术方案是：

一种综合评价结构材料力学性能的多参数图示方法，包括：

步骤一、根据航空发动机结构的典型特征部位设计对应的试验件；

步骤二、在典型温度环境下，对所述试验件进行静力拉伸试验，得到所述试验件在对应试验温度下的拉伸极限强度；

步骤三、在典型载荷环境下，分别对所述试验件进行疲劳萌生寿命试验、持久寿命试验以及裂纹扩展寿命试验，得到所述试验件在对应试验载荷下的疲劳萌生寿命试验寿命值、持久寿命试验寿命值以及裂纹扩展寿命试验寿命值；

步骤四、根据试验载荷以及所述试验件的截面几何尺寸，计算出所述试验件的净截面名义峰值应力值，并根据所述净截面名义峰值应力值以及所述拉伸极限强度计算出强度储备系数；

σ_max＝Fmax/S

n_b＝σ_b/σ_max

其中，σ_max为净截面名义峰值应力值，Fmax为试验峰值载荷，S为试验件的净截面积，n_b为强度储备系数，σ_b为拉伸极限强度；

步骤五、以强度储备系数为横坐标，以寿命为纵坐标，绘制强度储备系数与寿命关系图。

在本申请的至少一个实施例中，步骤一中，所述试验件包括：

第一试验件，所述第一试验件包括第一试验段、第一过渡段以及第一加载段，所述第一试验段的两端分别通过所述第一过渡段连接所述第一加载段，所述第一过渡段呈圆锥形，所述第一试验段呈圆柱形，所述第一试验段半径为R1＝6mm；

第二试验件，所述第二试验件包括第二试验段、第二过渡段以及第二加载段，所述第二试验段的两端分别通过所述第二过渡段连接所述第二加载段，所述第二过渡段包括与所述第二试验段连接的圆柱段，以及与所述第二加载段连接的圆锥段，所述第二试验段呈圆柱形，且所述第二试验段的尺寸小于所述第二过渡段的圆柱段的尺寸，所述第二试验段半径为R2＝2mm；

第三试验件，所述第三试验件包括第三试验段、第三过渡段以及第三加载段，所述第三试验段的两端分别通过所述第三过渡段连接所述第三加载段，所述第三过渡段包括与所述第三试验段连接的圆柱段，以及与所述第三加载段连接的圆锥段，所述第三试验段呈圆柱形，且所述第三试验段的尺寸小于所述第三过渡段的圆柱段的尺寸，所述第三试验段半径为R3＝0.5mm。

在本申请的至少一个实施例中，所述试验件材质为TC11或GH4169。

在本申请的至少一个实施例中，步骤五中，所述以强度储备系数为横坐标，以寿命为纵坐标，绘制强度储备系数与寿命关系图，包括：

S51、以强度储备系数为横坐标，以寿命为纵坐标，以试验件类型为分类条件，绘制不同试验温度对应的强度储备系数与疲劳萌生寿命以及持久寿命关系图；

S52、以强度储备系数为横坐标，以寿命为纵坐标，以试验温度为分类条件，绘制不同试验件对应的强度储备系数与疲劳萌生寿命以及持久寿命关系图。

在本申请的至少一个实施例中，步骤五中，所述以强度储备系数为横坐标，以寿命为纵坐标，绘制强度储备系数与寿命关系图，还包括：

S53、以强度储备系数为横坐标，绘制强度储备系数与疲劳萌生寿命以及裂纹扩展寿命的关系图。

在本申请的至少一个实施例中，S53中、所述强度储备系数与疲劳萌生寿命以及裂纹扩展寿命的关系图中的强度储备系数与裂纹扩展寿命关系曲线根据以下方式得到：

假设裂纹扩展速率模型满足Paris公式：

其中，da/dN为裂纹扩展速率，ΔK为应力强度因子幅度，C、m为材料参数；

通过裂纹扩展寿命试验数据拟合得到裂纹扩展速率模型；

以含裂纹的无限大板计算应力强度因子，并估算裂纹扩展寿命为：

其中，f为几何修正系数，a₀为初始裂纹尺寸，a_c为临界裂纹尺寸；

临界裂纹尺寸为：

其中，K_IC为材料断裂韧度，F为外载荷；

则：

根据强度储备系数定义，得到裂纹扩展寿命与强度储备系数关系曲线的表达式：

根据裂纹扩展寿命与强度储备系数关系曲线的表达式，绘制强度储备系数与裂纹扩展寿命关系曲线。

发明至少存在以下有益技术效果：

本申请的综合评价结构材料力学性能的多参数图示方法，基于材料的力学测试数据建立以强度储备为表征参数，实现了综合描述材料及其构件疲劳萌生寿命、持久寿命和裂纹扩展寿命关系的综合表示。

附图说明

图1是本申请一个实施方式的综合评价结构材料力学性能的多参数图示方法流程图；

图2是本申请一个实施方式的试验件示意图；

图3是本申请第二个实施方式的试验件示意图；

图4是本申请第三个实施方式的试验件示意图；

图5是本申请一个实施方式的第一试验件在不同试验温度下强度储备系数与疲劳萌生寿命以及持久寿命关系图；

图6是本申请一个实施方式的第二试验件在不同试验温度下强度储备系数与疲劳萌生寿命以及持久寿命关系图；

图7是本申请一个实施方式的第三试验件在不同试验温度下强度储备系数与疲劳萌生寿命以及持久寿命关系图；

图8是本申请一个实施方式的在500℃下不同试验件的强度储备系数与疲劳萌生寿命以及持久寿命关系图；

图9是本申请一个实施方式的在450℃下不同试验件的强度储备系数与疲劳萌生寿命以及持久寿命关系图；

图10是本申请一个实施方式的强度储备系数与疲劳萌生寿命以及裂纹扩展寿命的关系图。

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例中的附图，对本申请实施例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。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，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。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

下面结合附图1至图10对本申请做进一步详细说明。

本申请提供了一种综合评价结构材料力学性能的多参数图示方法，参见图1，包括以下步骤：

步骤一、根据航空发动机结构的典型特征部位设计对应的试验件；

步骤二、在典型温度环境下，对试验件进行静力拉伸试验，得到试验件在对应试验温度下的拉伸极限强度；

步骤三、在典型载荷环境下，分别对试验件进行疲劳萌生寿命试验、持久寿命试验以及裂纹扩展寿命试验，得到试验件在对应试验载荷下的疲劳萌生寿命试验寿命值、持久寿命试验寿命值以及裂纹扩展寿命试验寿命值；

步骤四、根据试验载荷以及试验件的截面几何尺寸，计算出试验件的净截面名义峰值应力值，并根据净截面名义峰值应力值以及拉伸极限强度计算出强度储备系数；

σ_max＝Fmax/S

n_b＝σ_b/σ_max

其中，σ_max为净截面名义峰值应力值，Fmax为试验峰值载荷，S为试验件的净截面积，n_b为强度储备系数，σ_b为拉伸极限强度；

步骤五、以强度储备系数为横坐标，以寿命为纵坐标，绘制强度储备系数与寿命关系图。

本申请的综合评价结构材料力学性能的多参数图示方法，首先，根据航空发动机关键结构的设计特点，针对典型特征部位，设计相应的试验件，试验件可以设计为包括不同的截面几何尺寸，结构形式可以包括光滑试验件以及缺口试验件，试验件材质可以是航空发动机常用材料，例如TC11、GH4169等。在本申请的优选实施方式中，以航空发动机中常用的材料TC11为例，根据设计方案，设计了三种不同类型的试验件，并给出了三种试验件的具体结构形式。其中，如图2所示，第一试验件包括第一试验段、第一过渡段以及第一加载段，第一试验段的两端分别通过第一过渡段连接第一加载段，第一过渡段呈圆锥形，第一试验段呈圆柱形，第一试验段半径为R1＝6mm；如图3所示，第二试验件包括第二试验段、第二过渡段以及第二加载段，第二试验段的两端分别通过第二过渡段连接第二加载段，第二过渡段包括与第二试验段连接的圆柱段，以及与第二加载段连接的圆锥段，第二试验段呈圆柱形，且第二试验段的尺寸小于第二过渡段的圆柱段的尺寸，第二试验段半径为R2＝2mm；如图4所示，第三试验件包括第三试验段、第三过渡段以及第三加载段，第三试验段的两端分别通过第三过渡段连接第三加载段，第三过渡段包括与第三试验段连接的圆柱段，以及与第三加载段连接的圆锥段，第三试验段呈圆柱形，且第三试验段的尺寸小于第三过渡段的圆柱段的尺寸，第三试验段半径为R3＝0.5mm。本实施例中，第一试验件称为光滑试样，第二试验件以及第三试验件均称为缺口试验件。

本申请的综合评价结构材料力学性能的多参数图示方法，将每种截面几何尺寸的试验件制作多个，分别进行静力拉伸试验、疲劳萌生寿命试验、持久寿命试验以及裂纹扩展寿命试验。具体的，根据结构的载荷环境，选取典型温度水平，对试验件进行静力拉伸试验，得到试验件在给定温度下的拉伸极限强度σ_b；在典型载荷环境下，对试验件开展疲劳萌生寿命试验，得到试验件在对应试验载荷下的疲劳萌生寿命试验寿命值；在典型载荷环境下，对试验件进行持久寿命试验，得到试验件在对应试验载荷下的持久寿命试验寿命值；在典型载荷环境下，对试验件进行裂纹扩展寿命试验，得到试验件在对应试验载荷下的裂纹扩展寿命试验寿命值。

进一步，根据净截面名义峰值应力值以及拉伸极限强度计算出强度储备系数，最后绘制强度储备系数与寿命关系图。

在本申请的优选实施例中，强度储备系数与寿命关系图包括：

S51、以强度储备系数为横坐标，以寿命为纵坐标，以试验件类型为分类条件，绘制不同试验温度对应的强度储备系数与疲劳萌生寿命以及持久寿命关系图；

本实施例中，根据试验结果，按照不同的试验件对结果进行归纳，以强度储备系数为横坐标，寿命为纵坐标的曲线表达，如图5-7所示。从图中可见，以强度储备系数来衡量，不同温度下材料光滑试样和缺口试样的疲劳数据均分别统一到同一规律上，说明光滑试样和缺口试样的疲劳性能均取决于其疲劳峰值应力的强度储备，而与温度无关，这为不同温度下材料疲劳性能的换算提供了依据，同时也解释了低温度大应力与高温度小应力只要具有相同的强度储备系数，就可能具有相同疲劳寿命值，而目前现有技术中的仅以应力-疲劳寿命表达的疲劳性能表示方法不能直观的描述这一规律。

本申请的综合评价结构材料力学性能的多参数图示方法，根据上述的关系图，可以为在方案阶段选择合理的强度储备系数提供依据。从图5-7可以看出，在1.5倍强度储备时(工程中常用的储备系数值)，材料不同温度的持久寿命都远在1000小时以上。而在此强度储备系数下，材料光滑试样和R2＝2mm试样的疲劳寿命104～105循环左右，而R3＝0.5mm试样的寿命仅有1000循环左右。因此，疲劳性能是限制寿命的主要因素，结构设计时需要考虑应力集中效应，适当提高强度储备，来提升疲劳性能。

在本申请的优选实施例中，强度储备系数与寿命关系图包括：

S52、以强度储备系数为横坐标，以寿命为纵坐标，以试验温度为分类条件，绘制不同试验件对应的强度储备系数与疲劳萌生寿命以及持久寿命关系图。

本实施例中，根据试验结果，按照不同的试验温度对试验结果进行归纳，得到以强度储备系数为横坐标，寿命为纵坐标的曲线表达，如图8-9所示。从图中可见，以强度储备系数来衡量，各温度下光滑试样和缺口试样持久寿命随静强度储备系数的变化可统一到同一规律上，即相同温度下材料的持久寿命与缺口应力集中大小无关(缺口不敏感)，主要取决于工作应力的强度储备，这为不同缺口下材料持久性能的换算提供了依据，同时也解释了小应力集中大平均应力与大应力集中小平均应力只要具有相同的强度储备系数，就可能具有相同的持久寿命值，而目前现有技术中的仅以应力-持久寿命表达的持久性能表示方法不能直观的描述这一规律。

在本申请的优选实施例中，强度储备系数与寿命关系图还包括：

S53、以强度储备系数为横坐标，绘制强度储备系数与疲劳萌生寿命以及裂纹扩展寿命的关系图。

其中，在强度储备系数与疲劳萌生寿命以及裂纹扩展寿命的关系图中，强度储备系数与疲劳萌生寿命的关系曲线可以根据疲劳萌生寿命试验数据直接绘制，但是强度储备系数与裂纹扩展寿命关系曲线需要采用解析方法计算得到，具体包括：

假设裂纹扩展速率模型满足Paris公式，即有：

其中，da/dN为裂纹扩展速率，ΔK为应力强度因子幅度，C、m为材料参数；

通过裂纹扩展寿命试验数据拟合得到裂纹扩展速率模型；

以含裂纹的无限大板计算应力强度因子，并估算裂纹扩展寿命为：

其中，f为几何修正系数，a₀为初始裂纹尺寸，a_c为临界裂纹尺寸；

临界裂纹尺寸为：

其中，K_IC为材料断裂韧度，F为外载荷；

则：

根据强度储备系数定义，得到裂纹扩展寿命与强度储备系数关系曲线的表达式：

根据裂纹扩展寿命与强度储备系数关系曲线的表达式，绘制强度储备系数与裂纹扩展寿命关系曲线。

在本申请的一个实施方式中，如图10所示为GH4169材料在500℃下，裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命随强度储备系数的变化规律，由图可见，当强度储备系数从1.1变化到1.6时，裂纹扩展寿命的增加幅度有限，基本都维持在在104循环量级，扩展寿命提升不显著；而萌生寿命从104循环量级提升到107循环量级，萌生寿命提升显著。因此，如果对扩展寿命有较高的要求时，仅通过提升强度储备系数，并不能显著提升扩展寿命。这为初期开展方案设计和材料选材提供了方向性的指引。

本申请的综合评价结构材料力学性能的多参数图示方法，从结构强度设计角度出发，基于试验数据，以强度储备为表征参数，综合描述材料及其构件疲劳萌生寿命、持久寿命和裂纹扩展寿命的关系。本申请可以从结构强度的视角更清楚的表达影响材料寿命的关键因素，可以为在方案阶段选择合理的强度储备系数提供依据，可以更直观的对比在一定储备系数下裂纹萌生寿命与扩展寿命的比例关系。

以上所述，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所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种综合评价结构材料力学性能的多参数图示方法，其特征在于，包括：

步骤一、根据航空发动机结构的典型特征部位设计对应的试验件；

步骤二、在典型温度环境下，对所述试验件进行静力拉伸试验，得到所述试验件在对应试验温度下的拉伸极限强度；

步骤三、在典型载荷环境下，分别对所述试验件进行疲劳萌生寿命试验、持久寿命试验以及裂纹扩展寿命试验，得到所述试验件在对应试验载荷下的疲劳萌生寿命试验寿命值、持久寿命试验寿命值以及裂纹扩展寿命试验寿命值；

步骤四、根据试验载荷以及所述试验件的截面几何尺寸，计算出所述试验件的净截面名义峰值应力值，并根据所述净截面名义峰值应力值以及所述拉伸极限强度计算出强度储备系数；

σ_max＝Fmax/S

n_b＝σ_b/σ_max

其中，σ_max为净截面名义峰值应力值，Fmax为试验峰值载荷，S为试验件的净截面积，n_b为强度储备系数，σ_b为拉伸极限强度；

步骤五、以强度储备系数为横坐标，以寿命为纵坐标，绘制强度储备系数与寿命关系图。

2.根据权利要求1所述的综合评价结构材料力学性能的多参数图示方法，其特征在于，步骤一中，所述试验件包括：

第一试验件，所述第一试验件包括第一试验段、第一过渡段以及第一加载段，所述第一试验段的两端分别通过所述第一过渡段连接所述第一加载段，所述第一过渡段呈圆锥形，所述第一试验段呈圆柱形，所述第一试验段半径为R1＝6mm；

第二试验件，所述第二试验件包括第二试验段、第二过渡段以及第二加载段，所述第二试验段的两端分别通过所述第二过渡段连接所述第二加载段，所述第二过渡段包括与所述第二试验段连接的圆柱段，以及与所述第二加载段连接的圆锥段，所述第二试验段呈圆柱形，且所述第二试验段的尺寸小于所述第二过渡段的圆柱段的尺寸，所述第二试验段半径为R2＝2mm；

第三试验件，所述第三试验件包括第三试验段、第三过渡段以及第三加载段，所述第三试验段的两端分别通过所述第三过渡段连接所述第三加载段，所述第三过渡段包括与所述第三试验段连接的圆柱段，以及与所述第三加载段连接的圆锥段，所述第三试验段呈圆柱形，且所述第三试验段的尺寸小于所述第三过渡段的圆柱段的尺寸，所述第三试验段半径为R3＝0.5mm。

3.根据权利要求2所述的综合评价结构材料力学性能的多参数图示方法，其特征在于，所述试验件材质为TC11或GH4169。

4.根据权利要求3所述的综合评价结构材料力学性能的多参数图示方法，其特征在于，步骤五中，所述以强度储备系数为横坐标，以寿命为纵坐标，绘制强度储备系数与寿命关系图，包括：

S51、以强度储备系数为横坐标，以寿命为纵坐标，以试验件类型为分类条件，绘制不同试验温度对应的强度储备系数与疲劳萌生寿命以及持久寿命关系图；

S52、以强度储备系数为横坐标，以寿命为纵坐标，以试验温度为分类条件，绘制不同试验件对应的强度储备系数与疲劳萌生寿命以及持久寿命关系图。

5.根据权利要求4所述的综合评价结构材料力学性能的多参数图示方法，其特征在于，步骤五中，所述以强度储备系数为横坐标，以寿命为纵坐标，绘制强度储备系数与寿命关系图，还包括：

S53、以强度储备系数为横坐标，绘制强度储备系数与疲劳萌生寿命以及裂纹扩展寿命的关系图。

6.根据权利要求5所述的综合评价结构材料力学性能的多参数图示方法，其特征在于，S53中、所述强度储备系数与疲劳萌生寿命以及裂纹扩展寿命的关系图中的强度储备系数与裂纹扩展寿命关系曲线根据以下方式得到：

假设裂纹扩展速率模型满足Paris公式：

其中，da/dN为裂纹扩展速率，ΔK为应力强度因子幅度，C、m为材料参数；

通过裂纹扩展寿命试验数据拟合得到裂纹扩展速率模型；

以含裂纹的无限大板计算应力强度因子，并估算裂纹扩展寿命为：

其中，f为几何修正系数，a₀为初始裂纹尺寸，a_c为临界裂纹尺寸；

临界裂纹尺寸为：

其中，K_IC为材料断裂韧度，F为外载荷；

则：

根据强度储备系数定义，得到裂纹扩展寿命与强度储备系数关系曲线的表达式：

根据裂纹扩展寿命与强度储备系数关系曲线的表达式，绘制强度储备系数与裂纹扩展寿命关系曲线。

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