CN117688761A - 一种多轴高低周复合疲劳寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多轴高低周复合疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：将权函数法引入多轴高低周复合疲劳中，用于确定临界面方位；利用Wang‑Brown多轴计数方法对多轴高低周复合疲劳载荷进行循环计数；通过对试验数据分析，基于线性准则，通过考虑载荷交互影响提出新的模型，用于预测多轴高低周复合疲劳寿命；基于确定的临界面和循环计数结果，利用提出的寿命预测模型，对多轴高低周复合疲劳进行寿命预测。本发明方法可以较为准确的预测航空高温材料在多轴高低周复合疲劳加载下的寿命，对航空发动机、燃气轮机等高端装备疲劳寿命设计和安全服役具有重要的意义。

Description

一种多轴高低周复合疲劳寿命预测方法

技术领域

本发明涉及疲劳寿命预测技术领域，尤其是涉及发动机涡轮叶片、燃气轮机等关键零部件的一种多轴高低周复合疲劳寿命预测方法。

背景技术

航空发动机、燃气轮机等高端装备在服务过程中，由于装备启动-运行-停机等工况的交替出现，这些高端装备的关键零部件如涡轮、叶片等，会交替承受高周疲劳和低周疲劳载荷。由于结构复杂，工作环境恶劣，涡轮叶片的故障占到发动机总体故障的20％左右，其安全服役问题是制约我国高端装备发展的瓶颈之一。因此，研究高低周复合疲劳问题对我国高端装备的发展具有重要意义。

近年来越来越多的学者关注对高低周复合疲劳的问题研究，并取得了一些进展。但这些进展主要在单轴高低周复合疲劳方面，对多轴高低周复合疲劳问题研究较少。在实际工程中，由于环境更加复杂，这些关键零部件一般承受多轴载荷影响。针对多轴疲劳问题，用单轴理解研究会产生较大的误差。因此需要研究多轴高低周复合疲劳问题。对于多轴高低周复合疲劳问题，临界面的确定、怎么进行循环计数、每个反复损伤的计算以及这些损伤的累积都需要解决。工程实际中，由于线性损伤累积理论实施简单，应用较广，但是没有考虑高周和低周载荷交互的耦合影响。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多轴高低周复合疲劳寿命预测方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种多轴高低周复合疲劳寿命预测方法，所述方法步骤包括：

确定多轴高低周复合疲劳的临界面方位，并进行循环计数；

基于确定的临界面和循环计数结果，确定每个反复在临界面上的损伤参量，得到每个反复的等效应力；

基于线性准则，建立考虑载荷交互影响的多轴高低周复合疲劳损伤累积模型；

基于确定的临界面和循环计数结果，利用所建立的多轴高低周复合疲劳损伤累积模型，对多轴高低周复合疲劳进行寿命预测。

作为优选技术方案，所述的临界面方位确定采用权函数法确定，通过权函数法确定权平均最大绝对剪应力平面，并在此平面上计算多轴高低周复合疲劳损伤。

作为优选技术方案，所述的权平均最大绝对剪应力平面的方位由下式确定：

式中：表示权平均最大绝对剪应力平面/>的法向向量与x轴的夹角；W(t_k)表示t_k时刻的权函数；W_total表示权函数W(t_k)从t₁到t_N时刻的和；

所述权函数W(t_k)的表达式如下：

式中：max{τ_max(t_k)}表示最大剪应力τ_max(t_k)在一个循环或一个载荷块的时间历程中的最大值；min{τ_max(t_k)}表示最大剪应力τ_max(t_k)在一个循环或一个载荷块的时间历程中的最小值。

作为优选技术方案，所述的多轴高低周复合疲劳进行循环计数采用Wang-Brown多轴循环计数方法，先求出最大Mises等效应力，通过相对等效应力进行Wang-Brown多轴循环计数。

作为优选技术方案，得到所述每个反复的等效应力具体步骤如下：

基于权函数确定的临界面和Wang-Brown循环计数结果，确定每个反复在临界面上的损伤参量，包括临界面上的最大正应力和剪应力幅；

将静疲劳理论Mises准则扩展应用于多轴高低周复合疲劳确定每个反复的等效应力。

作为优选技术方案，所述每个反复的等效应力σ_{eq_c}的表达式如下：

式中：σ_{max_c}为临界面上最大正应力值；τ_{a_c}为临界面上剪应力幅值。

作为优选技术方案，所述考虑载荷交互影响的多轴高低周复合疲劳损伤累积模型的表达式如下：

式中：D_B表示一个载荷块的损伤；N_i表示第i个反复等效应力对应的疲劳寿命；n表示一个载荷块反复的数目；σ_{eq_c}表示载荷块反复的等效应力。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明提出的一种多轴高低周复合疲劳寿命预测模型，可以考虑多轴高周和低周疲劳耦合损伤的影响，通过载荷交互因子考虑高低周载荷交互影响。提出寿命预测方法，可以用于预测多轴高低周复合加载下的疲劳寿命。

2)本发明方法基于权函数法确定临界面，并引入Wang-Brown多轴循环计数进行计数，将静疲劳理论Mises准则扩展应力于多轴高低周复合疲劳确定每个反复的等效应力，再通过所构建的考虑多轴高周和低周疲劳耦合损伤的影响的预测模型进行预测。本发明方法不仅预测过程简单，且疲劳寿命预测结果接近于试验结果，具有较高的预测精度，为发动机涡轮叶片的可靠性设计和延寿设计提供支撑。

附图说明

图1为本发明一种多轴高低周复合疲劳寿命预测方法的流程图；

图2为高低周复合循环载荷谱示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例提供一种多轴高低周复合疲劳寿命预测方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1，将权函数法引入多轴高低周复合疲劳确定临界面方位。疲劳模型一般预测的是疲劳的萌生寿命，即Stage I裂纹的疲劳寿命，对于Stage I裂纹，裂纹在最大剪切平面萌生；在多轴高低周复合疲劳载荷下，如图2所示，主应力轴方向是随时间变化的，通过权函数法，可以确定权平均最大绝对剪应力平面，在此平面上计算多轴高低周复合疲劳损伤，权平均最大绝对剪应力平面的方位由下式确定：

式中：表示权平均最大绝对剪应力平面/>的法向向量与x轴的夹角；W(t_k)表示t_k时刻的权函数；W_total表示权函数W(t_k)从t₁到t_N时刻的和；

通过分析多轴高低周复合疲劳载荷下的最大剪应力变化，利用权函数W(t_k)：

式中：max{τ_max(t_k)}表示最大剪应力τ_max(t_k)在一个循环或一个载荷块的时间历程中的最大值；min{τ_max(t_k)}表示最大剪应力τ_max(t_k)在一个循环或一个载荷块的时间历程中的最小值。

步骤2，虽然高低周复合疲劳由块载组成，块载是由各个恒幅组成，由于多轴高低周复合疲劳加载条件更加复杂，需要首先确定临界面方位，并且需要进行循环计数。将Wang-Brown多轴循环计数方法引入多轴高低周复合疲劳进行循环计数；Wang-Brown首先是在低周加载条件下提出，引入本发明方法，需要先求出最大Mises等效应力，并通过相对等效应力进行循环计数：

其中，σ_eq为：

式中：σ_x、σ_y、σ_z分别为x、y、z轴的应力值；τ_xy、τ_yz、τ_zx分别为xy、zy、xz平面上剪应力幅值。

步骤3，基于权函数确定的临界面和Wang-Brown多轴计数结果，通过确定每个反复在临界面上的损伤参量，如临界面上的最大正应力和剪应力幅，将静疲劳理论Mises准则扩展应用于多轴高低周复合疲劳确定每个反复的等效应力：

式中：σ_{max_c}为临界面上最大正应力值；τ_{a_c}为临界面上剪应力幅值。

步骤4，通过分析不同加载条件下多轴高低周复合疲劳试验结果，并对比分析载荷时间历程，本发明方法基于线性准则，提出一种新的考虑载荷交互影响的多轴高低周复合疲劳损伤累积模型：

式中：D_B表示一个载荷块的损伤；N_i表示第i个反复等效应力对应的疲劳寿命；n表示一个载荷块反复的数目。

该多轴高低周复合疲劳损伤累积模型通过提出的载荷交互因子考虑高低周复合疲劳载荷交互影响；耦合损伤的通过表达式/>确定。

步骤5，根据权函数确定的临界面和Wang-Brown多轴计数结果，将计算的损伤参量代入提出的多轴高低周复合疲劳损伤累积模型，最后求出总寿命：

式中：N_B为多轴高低周复合疲劳寿命。

为验证本发明提出的一种多轴高低周复合疲劳寿命预测方法的准确性，采用航空材料GH4169合金的试验结果数据进行分析，将多轴高低周复合疲劳加载下的疲劳寿命预测结果与试验结果进行比较。结果表明，本发明提出的寿命预测方法与试验结果比较吻合，预测结果在2倍寿命分散带内。基于试验分析，本发明提出的方法考虑了多轴高低周耦合损伤的影响，并通过引入载荷交互因子考虑多轴高周和低周载荷交互影响。因此，本发明提出的多轴高周复合疲劳寿命预测方法有较高的预测精度，本发明方法为发动机涡轮叶片的可靠性设计和寿命预测研究提供理论基础。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种多轴高低周复合疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述方法步骤包括：

确定多轴高低周复合疲劳的临界面方位，并进行循环计数；

基于确定的临界面和循环计数结果，确定每个反复在临界面上的损伤参量，得到每个反复的等效应力；

基于线性准则，建立考虑载荷交互影响的多轴高低周复合疲劳损伤累积模型；

基于确定的临界面和循环计数结果，利用所建立的损伤累积模型，对多轴高低周复合疲劳进行寿命预测。

2.根据权利要求1所述的一种多轴高低周复合疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述的临界面方位确定采用权函数法确定，通过权函数法确定权平均最大绝对剪应力平面，并在此平面上计算多轴高低周复合疲劳损伤。

3.根据权利要求2所述的一种多轴高低周复合疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述的权平均最大绝对剪应力平面的方位由下式确定：

式中：表示权平均最大绝对剪应力平面/>的法向向量与x轴的夹角；W(t_k)表示t_k时刻的权函数；W_total表示权函数W(t_k)从t₁到t_N时刻的和；

所述权函数W(t_k)的表达式如下：

式中：max{τ_max(t_k)}表示最大剪应力τ_max(t_k)在一个循环或一个载荷块的时间历程中的最大值；min{τ_max(t_k)}表示最大剪应力τ_max(t_k)在一个循环或一个载荷块的时间历程中的最小值。

4.根据权利要求1所述的一种多轴高低周复合疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述的多轴高低周复合疲劳进行循环计数采用Wang-Brown多轴循环计数方法，先求出最大Mises等效应力，通过相对等效应力进行Wang-Brown多轴循环计数。

5.根据权利要求1所述的一种多轴高低周复合疲劳寿命预测方法，其特征在于，得到所述每个反复的等效应力具体步骤如下：

基于权函数确定的临界面和Wang-Brown循环计数结果，确定每个反复在临界面上的损伤参量，包括临界面上的最大正应力和剪应力幅；

将静疲劳理论Mises准则扩展应用于多轴高低周复合疲劳确定每个反复的等效应力。

6.根据权利要求5所述的一种多轴高低周复合疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述每个反复的等效应力a_eq-c的表达式如下：

式中：σ_{max_c}为临界面上最大正应力值；τ_{a_c}为临界面上剪应力幅值。

7.根据权利要求1所述的一种多轴高低周复合疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述考虑载荷交互影响的多轴高低周复合疲劳损伤累积模型的表达式如下：

式中：D_B表示一个载荷块的损伤；N_i表示第i个反复等效应力对应的疲劳寿命；n表示一个载荷块反复的数目；为载荷交互因子，σ_{eq_c}表示载荷块反复的等效应力。