CN115935523B - 航空涡扇发动机轴类零组件循环疲劳寿命载荷谱编制方法 - Google Patents

航空涡扇发动机轴类零组件循环疲劳寿命载荷谱编制方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种航空涡扇发动机轴类零组件循环疲劳寿命载荷谱编制方法，包括：步骤一、收集发动机典型任务剖面及其混频数据，将高度、马赫数、发动机工作状态组合形成发动机典型工作点；步骤二、根据发动机典型工作点收集对应的总体性能参数，将其转化为扭矩特征值，以扭矩特征值为纵坐标、任务段序号为横坐标，建立典型任务剖面的图形格式；步骤三、采用雨流计数法，按照扭矩特征值对各个典型任务剖面进行统计得到多个循环对所有的峰/谷值点及对应的发动机典型工作点；步骤四、从步骤三中的发动机典型工作点中选取或聚类峰/谷值点，根据循环对所在剖面的频次确定循环对的使用频次，将峰/谷值点与使用次数相匹配形成低循环疲劳寿命载荷谱。

Description

航空涡扇发动机轴类零组件循环疲劳寿命载荷谱编制方法
技术领域
本申请属于航空发动机技术领域，特别涉及一种航空涡扇发动机轴类零组件循环疲劳寿命载荷谱编制方法。
背景技术
根据航空发动机通用规范，油门杆移动带来发动机工作状态以及各类零组件载荷（热力/气动/机械）、应力状态的变化会产生低循环疲劳寿命消耗。为此，需要在发动机寿命设计和试验验证过程中考虑此项寿命损伤因素。
如图1所示为现有技术中常见的以发动机工作状态为统计对象的雨流计数示意图，低循环疲劳寿命要求的一般推导过程为：
a）通过雨流计数法对发动机典型任务剖面进行统计，得到存在低循环疲劳损伤的各类有效循环；
b）在最大状态寿命点中随机选取状态点，确定各有效循环的峰值点和谷值点。
其中，峰值点和谷值点选取的合理性决定了寿命设计分析和试验验证载荷谱的准确性。
对于以气动扭矩为主要载荷的零组件，以往在采用雨流计数法对典型任务剖面进行循环统计时，仅仅以发动机工作状态为统计对象，在若干峰值点和谷值点中随机选点确定为低循环疲劳寿命要求，无法考虑发动机飞行高度、马赫数，以及与此直接相关的进气压力/温度变化对这类零组件应力状态的实际影响，降低了寿命设计和试验载荷的精度，也为构件结构重量、外场使用安全综合控制带来了困难。
发明内容
本申请的目的是提供了一种航空涡扇发动机轴类零组件循环疲劳寿命载荷谱编制方法，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。
本申请的技术方案是：航空涡扇发动机轴类零组件循环疲劳寿命载荷谱编制方法，所述方法包括：
步骤一、收集发动机典型任务剖面及其混频数据，其中，典型任务剖面中的高度、马赫数、发动机工作状态组合形成发动机典型工作点；
步骤二、根据发动机典型工作点收集对应的总体性能参数，将总体性能参数转化为扭矩特征值，以扭矩特征值为纵坐标，典型任务剖面中的任务段序号为横坐标，建立典型任务剖面的图形格式；
步骤三、采用雨流计数法，按照扭矩特征值对各个典型任务剖面进行统计分析，得到多个循环对所有的峰值点和谷值点及对应的发动机典型工作点；
步骤四、从步骤三中的发动机典型工作点中选取或聚类多个循环对的峰值点和谷值点，根据循环对所在剖面的频次确定循环对的使用频次，将峰值点和谷值点与使用次数相匹配，形成轴类零组件的低循环疲劳寿命载荷谱。
在本申请优选实施方式中，所述总体性能参数包括发动机低压转子物理转速、低压涡轮功率，将总体性能参数转化为扭矩特征值的过程为：
T = PTL / N
式中，T为扭矩特征值；PTL为低压涡轮功率；N为发动机低压转子物理转速。
在本申请优选实施方式中，从步骤三的发动机典型工作点中选取或聚类多个循环对的峰值点和谷值点，包括：Ⅰ类循环构成的主循环的峰值点和谷值点选取和由Ⅱ类循环、Ⅲ类循环构成的其他类型循环的峰值点和谷值点选取。
在本申请优选实施方式中，对于主循环，峰值点选取为发动机典型任务剖面中的扭矩特征值最大值点，谷值点选取停车状态。
在本申请优选实施方式中，对于其他类型循环，进行聚类处理：
对于峰值点，按照峰值点扭矩特征值的预定范围进行聚类处理，即如果两个峰值点的扭矩特征值相对差值小于预定范围，则在两个循环对的峰值点中，选取扭矩特征值较大的峰值点，作为低循环疲劳寿命载荷谱中两个循环对的峰值点；
对于谷值点，按照谷值点扭矩特征值的预定范围进行聚类处理，即如果两个谷值点的扭矩特征值相对差值小于预定范围，则在两个循环对的谷值点中，选取扭矩特征值较小的谷值点，作为低循环疲劳寿命要求中两个循环对的谷值点。
在本申请优选实施方式中，所述预定范围为10%~20%。
在本申请优选实施方式中，获得低循环疲劳寿命载荷谱后，应用于以气动扭矩为主要载荷类型的发动机轴类零组件的低循环疲劳寿命设计和试验，所述以气动扭矩为主要载荷类型的发动机轴类零组件包括风扇轴、低压涡轮轴，以及相应的螺栓连接件或连接结构。
本申请基于零组件局部应力与发动机总体性能参数、转子气动扭矩的强相关性而提出的以气动扭矩特征值为雨流计数法统计对象的低循环疲劳寿命要求推导方法，可以模拟发动机高度、马赫数飞行条件以及由此产生的发动机进气压力/温度工作条件变化对其零组件应力的影响。相比于现有技术中由于气动扭矩根据总体性能参数估算得到导致的气动扭矩输入获取及计算过程简单，该方法规避了直接采用实际应力循环带来的计算效率低的问题，在不需要进行详细、复杂、耗时的零组件载荷、应力、温度场计算的前提下，实现此类零组件真实应力状态定量影响的快速评估，提高了寿命设计和试验载荷的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1为现有技术中以发动机工作状态为统计对象的雨流计数示意图。
图2为本申请的航空涡扇发动机轴类零组件循环载荷谱编制流程示意图。
图3为本申请一实施例中的发动机典型任务剖面转化的图形示意图。
图4为本申请一实施例中的扭矩雨流计数统计结果示意图。
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。
对于以气动扭矩为主要载荷类型的航空发动机轴类零组件，包括但不限于风扇轴、低压涡轮轴以及相应的螺栓连接件或连接结构等，本申请基于零组件局部应力与发动机总体性能参数、转子气动扭矩的强相关性而提出了一种以气动扭矩特征值为雨流计数法统计对象的低循环疲劳寿命载荷谱编制方法，模拟了发动机高度、马赫数飞行条件，以及由此产生的发动机进气压力/温度工作条件变化对其零组件应力的影响，在不需要进行详细、复杂、耗时的零组件载荷、应力、温度场计算的前提下，实现了对于此类零组件真实应力状态定量影响的快速评估，提高了寿命设计和试验载荷的精度。
如图2所示，针对以气动扭矩为主要载荷类型的发动机轴类零组件，考虑到发动机进气压力/温度变化对其寿命考核部位应力的影响，本申请提供一种航空涡扇发动机轴类零组件循环载荷谱编制方法，主要包括如下过程：
第一、输入数据收集及预处理。
步骤1：第一类输入数据收集及预处理。
根据用户方指定或认可的输入文件，收集发动机典型任务剖面及其混频数据，如表1和表2的实施例所示。
其中，在典型任务剖面中，将高度、马赫数、发动机工作状态的组合定义为发动机典型工作点。
表1 典型任务剖面（示例）
表2 典型任务剖面的使用混频（示例）
步骤2：第二类输入数据收集及预处理。
步骤2.1：根据步骤1中的发动机典型工作点收集其对应的总体性能参数，包括发动机低压转子物理转速、低压涡轮功率；
步骤2.2：按照如下公式将总体性能参数转化为扭矩特征值，如表3实施例所示：
T = PTL / N
式中，T为扭矩特征值；PTL为低压涡轮功率；N为发动机低压转子物理转速。
表3 典型任务剖面及其扭矩特征值（示例）
步骤2.3：以扭矩特征值为纵坐标，任务段序号为横坐标，将典型任务剖面转化为图形格式，如图3所示。
第二、初步筛选循环对的峰值点和谷值点。
步骤3：采用雨流计数法，按照扭矩特征值对各个典型任务剖面进行统计分析，针对各循环对，分别列出所有的峰值点和谷值点及对应的工作点。
以表1和图3的典型任务剖面为例，获得的循环对如图4和表4的实施例所示。
表4 扭矩雨流计数的循环对峰/谷值点（示意）
第三、低循环疲劳寿命要求确定。
步骤4：循环对的峰值点/谷值点聚类。
a）对于主循环（Ⅰ类循环——即“停车-最大/中间-停车”），按照步骤3的统计结果，峰值点选取为典型任务剖面中的扭矩特征值最大值点，谷值点选取扭矩特征值最小值点——即停车状态；
b）对于其他类型的循环（Ⅱ类循环——即“慢车-最大/中间-慢车”，Ⅲ类循环——即“巡航-最大/中间-巡航”），在步骤3的统计结果基础上，进行以下聚类处理：
1）对于峰值点，按照峰值点扭矩特征值的10%～20%，进行聚类处理，即如果两个峰值点的扭矩特征值相对差值小于10%～20%，则在两个循环对的峰值点中，选取扭矩特征值较大的峰值点，作为低循环疲劳寿命要求中两个循环对的峰值点；
2）对于谷值点，按照谷值点扭矩特征值的10%～20%，进行聚类处理，即如果两个谷值点的扭矩特征值相对差值小于10%～20%，则在两个循环对的谷值点中，选取扭矩特征值较小的谷值点，作为低循环疲劳寿命要求中两个循环对的谷值点。
步骤5：循环对使用次数匹配：循环对的使用次数按循环对所在剖面的频次确定，将峰值点/谷值点与使用次数相匹配，形成低循环疲劳寿命要求，如表5所示。
表5 轴类零组件的低循环疲劳寿命要求（示意）
第四、低循环疲劳寿命要求的使用。
步骤6：将表5所示的低循环疲劳寿命要求，应用于以气动扭矩为主要载荷类型的发动机轴类零组件的低循环疲劳寿命设计和试验，包括但不限于风扇轴、低压涡轮轴，以及相应的螺栓连接件或连接结构。
本申请基于零组件局部应力与发动机总体性能参数、转子气动扭矩的强相关性而提出的以气动扭矩特征值为雨流计数法统计对象的低循环疲劳寿命要求推导方法，可以模拟发动机高度、马赫数飞行条件以及由此产生的发动机进气压力/温度工作条件变化对其零组件应力的影响。相比于现有技术中由于气动扭矩根据总体性能参数估算得到导致的气动扭矩输入获取及计算过程简单，该方法规避了直接采用实际应力循环带来的计算效率低的问题，在不需要进行详细、复杂、耗时的零组件载荷、应力、温度场计算的前提下，实现此类零组件真实应力状态定量影响的快速评估，提高了寿命设计和试验载荷的精度。
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 (7)

1.航空涡扇发动机轴类零组件循环疲劳寿命载荷谱编制方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一、收集发动机典型任务剖面及其混频数据，其中，典型任务剖面中的高度、马赫数、发动机工作状态组合形成发动机典型工作点；
步骤二、根据发动机典型工作点收集对应的总体性能参数，将总体性能参数转化为扭矩特征值，以扭矩特征值为纵坐标，典型任务剖面中的任务段序号为横坐标，建立典型任务剖面的图形格式；
步骤三、采用雨流计数法，按照扭矩特征值对各个典型任务剖面进行统计分析，得到多个循环对所有的峰值点和谷值点及对应的发动机典型工作点；
步骤四、从步骤三中的发动机典型工作点中选取或聚类多个循环对的峰值点和谷值点，根据循环对所在剖面的频次确定循环对的使用频次，将峰值点和谷值点与使用次数相匹配，形成轴类零组件的低循环疲劳寿命载荷谱。
2.如权利要求1所述的航空涡扇发动机轴类零组件循环疲劳寿命载荷谱编制方法，其特征在于，所述总体性能参数包括发动机低压转子物理转速、低压涡轮功率，
将总体性能参数转化为扭矩特征值的过程为：
T = PTL / N
式中，T为扭矩特征值；PTL为低压涡轮功率；N为发动机低压转子物理转速。
3.如权利要求2所述的航空涡扇发动机轴类零组件循环疲劳寿命载荷谱编制方法，其特征在于，从步骤三的发动机典型工作点中选取或聚类多个循环对的峰值点和谷值点，包括：Ⅰ类循环构成的主循环的峰值点和谷值点选取和由Ⅱ类循环、Ⅲ类循环构成的其他类型循环的峰值点和谷值点选取。
4.如权利要求3所述的航空涡扇发动机轴类零组件循环疲劳寿命载荷谱编制方法，其特征在于，对于主循环，峰值点选取为发动机典型任务剖面中的扭矩特征值最大值点，谷值点选取停车状态。
5.如权利要求3所述的航空涡扇发动机轴类零组件循环疲劳寿命载荷谱编制方法，其特征在于，对于其他类型循环，进行聚类处理：
对于峰值点，按照峰值点扭矩特征值的预定范围进行聚类处理，即如果两个峰值点的扭矩特征值相对差值小于预定范围，则在两个循环对的峰值点中，选取扭矩特征值较大的峰值点，作为低循环疲劳寿命载荷谱中两个循环对的峰值点；
对于谷值点，按照谷值点扭矩特征值的预定范围进行聚类处理，即如果两个谷值点的扭矩特征值相对差值小于预定范围，则在两个循环对的谷值点中，选取扭矩特征值较小的谷值点，作为低循环疲劳寿命要求中两个循环对的谷值点。
6.如权利要求5所述的航空涡扇发动机轴类零组件循环疲劳寿命载荷谱编制方法，其特征在于，所述预定范围为10%~20%。
7.如权利要求1至6任一所述的航空涡扇发动机轴类零组件循环疲劳寿命载荷谱编制方法，其特征在于，获得低循环疲劳寿命载荷谱后，应用于以气动扭矩为主要载荷类型的发动机轴类零组件的低循环疲劳寿命设计和试验，所述以气动扭矩为主要载荷类型的发动机轴类零组件包括风扇轴、低压涡轮轴，以及相应的螺栓连接件或连接结构。
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