CN117929172A - 一种发动机关键件疲劳试验载荷确定方法 - Google Patents

一种发动机关键件疲劳试验载荷确定方法 Download PDF

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CN117929172A CN202410338712.8A CN202410338712A CN117929172A CN 117929172 A CN117929172 A CN 117929172A CN 202410338712 A CN202410338712 A CN 202410338712A CN 117929172 A CN117929172 A CN 117929172A
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Abstract

本申请提供了一种发动机关键件疲劳试验载荷确定方法，属于航空发动机技术领域，包括获得发动机实际运行状态下关键部位最大应力和最小应力，将最小应力等效到最大应力对应温度下的等效最小应力，基于最大应力和等效最小应力，构建每个关键件的等寿命曲线，并将应力循环等效为0‑σeff1‑0的应力循环,σeff1为发动机实际运行状态下有效应力；确定试验件初始试验载荷，进行发动机试验状态下的应力分析，获得试验状态下有效应力；基于发动机实际运行状态下有效应力和试验状态下有效应力获得试验器系数，通过调整试验载荷，使试验器系数符合预设要求，获得满足设计要求的试验载荷。本申请提高了确定低循环疲劳试验载荷的准确性。

Description

一种发动机关键件疲劳试验载荷确定方法
技术领域
本申请涉及航空发动机技术领域，尤其涉及一种发动机关键件疲劳试验载荷确定方法。
背景技术
航空发动机关键件低循环疲劳试验载荷设计时，需要保证试验件与发动机应力相当、损伤一致。一般用试验器系数和损伤比来表征试验件与发动机状态的差异。通常情况下，试验件与发动机的最小应力、最大应力均不同，导致影响低循环疲劳寿命的应力范围与平均应力不同，而试验器系数使用最大应力或应力范围表征，未考虑平均应力的影响。
如此，为了保证试验器系数在设计要求范围内，试验件与发动机的一次循环损伤比不等于1.0，导致试验考核过轻或过重，反过来调整试验循环数，进而与发动机状态有所偏离，形成加速或减速试验过程，不符合低循环疲劳试验正常考核要求。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供一种发动机关键件疲劳试验载荷确定方法，使用有效应力综合考虑应力幅、平均应力及温度影响，更加准确地确定低循环疲劳试验载荷。
本申请实施例提供一种发动机关键件疲劳试验载荷确定方法，包括：
进行发动机实际运行状态下的关键件应力分析，获得每个所述关键件上关键部位的应力循环中的最大应力σmax1和最小应力σmin1，并将所述最小应力σmin1等效到所述最大应力σmax1对应温度下的等效最小应力σ'min1，
基于所述最大应力σmax1和所述等效最小应力σ'min1，构建每个所述关键件的发动机实际运行状态下等寿命曲线；
基于所述发动机实际运行状态下等寿命曲线，将σ'min1-σmax1-σ'min1的应力循环等效为0-σeff1-0的应力循环,σeff1为发动机实际运行状态下有效应力；
根据发动机实际运行状态下的每个所述关键件上关键部位的参数数据确定试验件的初始试验载荷；
基于所述初始试验载荷，进行发动机试验状态下的各所述关键件的应力分析，获得发动机试验状态下有效应力σeff2；
基于所述发动机实际运行状态下有效应力和所述发动机试验状态下有效应力获得试验器系数K；
当所述试验器系数K不符合预设要求时，对试验载荷进行调整，直至所述试验器系数K符合预设要求，并获得满足设计要求的试验载荷。
根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述将所述最小应力σmin1等效到所述最大应力σmax1对应温度下的等效最小应力σ'min1，包括：
获取最小应力σmin1对应的温度Tmin1和最大应力σmax1对应的温度Tmax1；
获取所述温度Tmin1对应的拉伸强度σb,Tmin1和所述温度Tmax1对应的拉伸强度σb,Tmax1；
将所述最小应力σmin1根据所述拉伸强度σb,Tmin1和所述拉伸强度σb,Tmax1等效到所述最大应力σmax1对应的温度Tmax1下的所述等效最小应力σ'min1，所述等效最小应力σ'min1的计算公式为：
。
根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述基于所述最大应力σmax1和所述等效最小应力σ'min1，构建每个所述关键件的发动机实际运行状态下等寿命曲线，包括：
构建横坐标为平均应力、纵坐标为应力幅的坐标系；
将作为所述坐标系中的第一点，将/>作为坐标系中的第二点；
基于所述第一点和所述第二点的连线构建所述发动机实际运行状态下等寿命曲线。
根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述发动机实际运行状态下有效应力σeff1的计算公式为：
。
根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述初始试验载荷包括初始谷值试验载荷和初始峰值试验载荷，所述初始峰值试验载荷在发动机载荷的基础上考虑修正系数，所述初始谷值试验载荷为由试验设备限制的最低载荷。
根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述当所述试验器系数K不符合预设要求时，对试验载荷进行调整，直至所述试验器系数K符合预设要求，并获得满足设计要求的试验载荷，包括：
若所述试验器系数K不符合预设要求，则调整所述修正系数，重新确定试验载荷，直至所述试验器系数K符合预设要求，获得满足设计要求的试验载荷。
根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述修正系数的调整方式包括：
当试验件的温度载荷不变，其他载荷为压力载荷和轴向力载荷时，所述修正系数kk的调整方式为：kk=kk0/K；
当试验件的温度载荷不变，其他载荷为转速载荷时，所述修正系数kk的调整方式为：，
其中，kk0为前一次修正系数。
根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述获得发动机试验状态下有效应力σeff2，包括：
进行发动机试验状态下的关键件应力分析，获得每个所述关键件上关键部位的应力循环中的最大应力σmax2和最小应力σmin2，并将所述最大应力σmax2和所述最小应力σmin2等效到发动机实际运行状态的所述最大应力σmax1对应温度下的等效最大应力σ'max2和等效最小应力σ'min2；
基于所述最大应力σ'max2和所述等效最小应力σ'min2，构建试验件的试验状态下等寿命曲线；
基于所述试验状态下等寿命曲线，将σ'min2-σ'max2-σ'min2的应力循环等效为0-σeff2-0的应力循环。
根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述将所述最大应力σmax2和所述最小应力σmin2等效到发动机实际运行状态的所述最大应力σmax1对应温度下的等效最大应力σ'max2和等效最小应力σ'min2，包括：
获取最小应力σmin2对应的温度Tmin2和最大应力σmax2对应的温度Tmax2；
获取所述温度Tmin2对应的拉伸强度σb,Tmin2和所述温度Tmax2对应的拉伸强度σb,Tmax2；
将所述最大应力σmax2和所述最小应力σmin2根据所述拉伸强度σb,Tmax1、所述拉伸强度σb,Tmin2和所述拉伸强度σb,Tmax2等效到发动机实际运行状态的所述最大应力σmax1对应温度下的所述等效最大应力σ'max2和所述等效最小应力σ'min2，所述等效最大应力σ'max2和所述等效最小应力σ'min2的计算公式为：
，
。
根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述发动机试验状态下有效应力σeff2的计算公式为：
。
有益效果：本申请实施例中的发动机关键件疲劳试验载荷确定方法，综合考虑应力幅、平均应力、温度的影响，提高了确定低循环疲劳试验载荷的准确性，能够较好地考核关键件的低循环疲劳寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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它的附图。
图1为根据本发明一实施例的发动机关键件疲劳试验载荷确定方法的流程图；
图2为根据本发明一实施例的发动机关键件疲劳试验载荷确定方法的等寿命曲线的示意图；
图3为根据本发明一实施例的发动机关键件疲劳试验载荷确定方法的应力循环的等效示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。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。
要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
本申请实施例提供了一种发动机关键件疲劳试验载荷确定方法，下面参照图1至图3进行详细描述。
参照图1，本实施例提供一种发动机关键件疲劳试验载荷确定方法，包括以下步骤：
步骤1、进行发动机实际运行状态下的关键件应力分析，获得每个所述关键件上关键部位的应力循环中的最大应力σmax1和最小应力σmin1，并将所述最小应力σmin1等效到所述最大应力σmax1对应温度下的等效最小应力σ'min1。
具体的，所述将所述最小应力σmin1等效到所述最大应力σmax1对应温度下的等效最小应力σ'min1，包括：
获取最小应力σmin1对应的温度Tmin1和最大应力σmax1对应的温度Tmax1；
获取所述温度Tmin1对应的拉伸强度σb,Tmin1和所述温度Tmax1对应的拉伸强度σb,Tmax1；
将所述最小应力σmin1根据所述拉伸强度σb,Tmin1和所述拉伸强度σb,Tmax1等效到所述最大应力σmax1对应的温度Tmax1下的所述等效最小应力σ'min1，所述等效最小应力σ'min1的计算公式为：
。
步骤2、基于所述最大应力σmax1和所述等效最小应力σ'min1，构建每个所述关键件的发动机实际运行状态下等寿命曲线。
具体的，包括以下步骤：
构建横坐标为平均应力σm1、纵坐标为应力幅σa1的坐标系；
将作为所述坐标系中的第一点，将/>作为坐标系中的第二点；
基于所述第一点和所述第二点的连线构建所述发动机实际运行状态下等寿命曲线，发动机实际运行状态下等寿命曲线的表达式为：
。
步骤3、基于所述发动机实际运行状态下等寿命曲线，将σ'min1-σmax1-σ'min1的应力循环等效为0-σeff1-0的应力循环,σeff1为发动机实际运行状态下有效应力，应力循环的等效参照图3所示。所述发动机实际运行状态下有效应力σeff1的计算公式为：
。
发动机实际运行状态下有效应力σeff1的获取过程包括以下步骤：
将发动机实际运行状态下等寿命曲线与应力幅和平均应力相等的曲线进行联立，得到：
，
整理方程组后得到：
，
。
步骤4、根据发动机实际运行状态下的每个所述关键件上关键部位的参数数据确定试验件的初始试验载荷。
具体的，所述初始试验载荷包括初始谷值试验载荷和初始峰值试验载荷，所述初始峰值试验载荷在发动机载荷的基础上考虑修正系数，所述初始谷值试验载荷为由试验设备限制的最低载荷。对于轮盘低循环疲劳试验件，载荷主要是温度和转速,对于机匣低循环疲劳试验件，载荷主要是温度、压力、轴向力，对于其他关键件，低循环疲劳试验载荷主要是温度、力、扭矩、弯矩等。试验件温度载荷一般为恒温，不随峰谷循环而变化。确定谷值转速/压力/轴向力/弯矩/扭矩载荷由于试验设备限制，一般取接近于0的小载荷。确定峰值转速/压力/轴向力/弯矩/扭矩载荷在发动机载荷的基础上考虑修正系数kk，修正系数kk一般考虑为载荷差异带来的应力影响。
步骤5、基于所述初始试验载荷，进行发动机试验状态下的各所述关键件的应力分析，获得发动机试验状态下有效应力σeff2。
具体包括以下步骤：
进行发动机试验状态下的关键件应力分析，获得每个所述关键件上关键部位的应力循环中的最大应力σmax2和最小应力σmin2，并将所述最大应力σmax2和所述最小应力σmin2等效到发动机实际运行状态的所述最大应力σmax1对应温度下的等效最大应力σ'max2和等效最小应力σ'min2；
基于所述最大应力σ'max2和所述等效最小应力σ'min2，构建试验件的试验状态下等寿命曲线。使用、/>两点在“平均应力-应力幅”坐标系中连线建立试验件的试验状态下等寿命曲线（实际上，最终试验载荷下，试验件的等寿命曲线（试验状态下等寿命曲线）与发动机等寿命曲线（发动机实际运行状态下等寿命曲线）重合，但通常情况下，试验件初始载荷与最终载荷存在偏差，需构建试验件的等寿命曲线）；
基于所述试验状态下等寿命曲线开展试验件的有效应力分析，将σ'min2-σ'max2-σ'min2的应力循环等效为0-σeff2-0的应力循环。
其中，所述将所述最大应力σmax2和所述最小应力σmin2等效到发动机实际运行状态的所述最大应力σmax1对应温度下的等效最大应力σ'max2和等效最小应力σ'min2，包括：
获取最小应力σmin2对应的温度Tmin2和最大应力σmax2对应的温度Tmax2；
获取所述温度Tmin2对应的拉伸强度σb,Tmin2和所述温度Tmax2对应的拉伸强度σb,Tmax2；
将所述最大应力σmax2和所述最小应力σmin2根据所述拉伸强度σb,Tmax1、所述拉伸强度σb,Tmin2和所述拉伸强度σb,Tmax2等效到发动机实际运行状态的所述最大应力σmax1对应温度下的所述等效最大应力σ'max2和所述等效最小应力σ'min2，所述等效最大应力σ'max2和所述等效最小应力σ'min2的计算公式为：
，
。
进一步的，所述发动机试验状态下有效应力σeff2的计算公式为：
。
步骤6、开展有效性评价，基于所述发动机实际运行状态下有效应力和所述发动机试验状态下有效应力获得试验器系数K。具体的，试验器系数K的计算公式为：K=σeff2/σeff1。
步骤7、当所述试验器系数K不符合预设要求时，对试验载荷进行调整，直至所述试验器系数K符合预设要求，并获得满足设计要求的试验载荷。
具体的，对于预设要求，若试验器系数K等于1.0，则发动机状态与试验件状态应力相同，同一条等寿命曲线获得相同的寿命，相同的循环数获得相同的损伤，因此试验载荷满足要求、合理可行；若试验器系数不满足预设要求，则调整修正系数kk、重新确定试验载荷，调整载荷后重复步骤4至步骤7的过程，直至所述试验器系数K符合预设要求，获得满足设计要求的试验载荷。如图2所示，1为发动机状态下关键件关键部位计算分析的应力状态，1’为发动机状态下关键件关键部位有效应力状态；2'''为不满足试验载荷要求的试验件状态下关键件关键部位计算分析的应力状态，2''为满足试验载荷要求的试验件状态下关键件关键部位计算分析的应力状态，2为试验件状态下关键件关键部位考虑温度影响的计算分析的应力状态，2'为试验件状态下关键件关键部位有效应力状态。初始载荷对应的应力状态是2'',调整修正系数kk使2'''到2''位置，则可满足试验载荷要求。
所述修正系数的调整方式包括：
当试验件的温度载荷不变，其他载荷为压力载荷和轴向力载荷时，所述修正系数kk的调整方式为：kk=kk0/K；
当试验件的温度载荷不变，其他载荷为转速载荷时，所述修正系数kk的调整方式为：，
其中，kk0为前一次修正系数。
本申请实施例中的发动机关键件疲劳试验载荷确定方法，综合考虑应力幅、平均应力、温度的影响，准确地确定低循环疲劳试验载荷，能够较好地考核关键件的低循环疲劳寿命。
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权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种发动机关键件疲劳试验载荷确定方法，其特征在于，包括：
进行发动机实际运行状态下的关键件应力分析，获得每个所述关键件上关键部位的应力循环中的最大应力σmax1和最小应力σmin1，并将所述最小应力σmin1等效到所述最大应力σmax1对应温度下的等效最小应力σ'min1，
基于所述最大应力σmax1和所述等效最小应力σ'min1，构建每个所述关键件的发动机实际运行状态下等寿命曲线；
基于所述发动机实际运行状态下等寿命曲线，将σ'min1-σmax1-σ'min1的应力循环等效为0-σeff1-0的应力循环,σeff1为发动机实际运行状态下有效应力；
根据发动机实际运行状态下的每个所述关键件上关键部位的参数数据确定试验件的初始试验载荷；
基于所述初始试验载荷，进行发动机试验状态下的各所述关键件的应力分析，获得发动机试验状态下有效应力σeff2；
基于所述发动机实际运行状态下有效应力和所述发动机试验状态下有效应力获得试验器系数K；
当所述试验器系数K不符合预设要求时，对试验载荷进行调整，直至所述试验器系数K符合预设要求，并获得满足设计要求的试验载荷。
2.根据权利要求1所述的发动机关键件疲劳试验载荷确定方法，其特征在于，所述将所述最小应力σmin1等效到所述最大应力σmax1对应温度下的等效最小应力σ'min1，包括：
获取最小应力σmin1对应的温度Tmin1和最大应力σmax1对应的温度Tmax1；
获取所述温度Tmin1对应的拉伸强度σb,Tmin1和所述温度Tmax1对应的拉伸强度σb,Tmax1；
将所述最小应力σmin1根据所述拉伸强度σb,Tmin1和所述拉伸强度σb,Tmax1等效到所述最大应力σmax1对应的温度Tmax1下的所述等效最小应力σ'min1，所述等效最小应力σ'min1的计算公式为：
。
3.根据权利要求2所述的发动机关键件疲劳试验载荷确定方法，其特征在于，所述基于所述最大应力σmax1和所述等效最小应力σ'min1，构建每个所述关键件的发动机实际运行状态下等寿命曲线，包括：
构建横坐标为平均应力、纵坐标为应力幅的坐标系；
将作为所述坐标系中的第一点，将/>作为坐标系中的第二点；
基于所述第一点和所述第二点的连线构建所述发动机实际运行状态下等寿命曲线。
4.根据权利要求1所述的发动机关键件疲劳试验载荷确定方法，其特征在于，所述发动机实际运行状态下有效应力σeff1的计算公式为：
。
5.根据权利要求1所述的发动机关键件疲劳试验载荷确定方法，其特征在于，所述初始试验载荷包括初始谷值试验载荷和初始峰值试验载荷，所述初始峰值试验载荷在发动机载荷的基础上考虑修正系数，所述初始谷值试验载荷为由试验设备限制的最低载荷。
6.根据权利要求5所述的发动机关键件疲劳试验载荷确定方法，其特征在于，所述当所述试验器系数K不符合预设要求时，对试验载荷进行调整，直至所述试验器系数K符合预设要求，并获得满足设计要求的试验载荷，包括：
若所述试验器系数K不符合预设要求，则调整所述修正系数，重新确定试验载荷，直至所述试验器系数K符合预设要求，获得满足设计要求的试验载荷。
7.根据权利要求6所述的发动机关键件疲劳试验载荷确定方法，其特征在于，所述修正系数的调整方式包括：
当试验件的温度载荷不变，其他载荷为压力载荷和轴向力载荷时，所述修正系数kk的调整方式为：kk=kk0/K；
当试验件的温度载荷不变，其他载荷为转速载荷时，所述修正系数kk的调整方式为：，
其中，kk0为前一次修正系数。
8.根据权利要求2所述的发动机关键件疲劳试验载荷确定方法，其特征在于，所述获得发动机试验状态下有效应力σeff2，包括：
进行发动机试验状态下的关键件应力分析，获得每个所述关键件上关键部位的应力循环中的最大应力σmax2和最小应力σmin2，并将所述最大应力σmax2和所述最小应力σmin2等效到发动机实际运行状态的所述最大应力σmax1对应温度下的等效最大应力σ'max2和等效最小应力σ'min2；
基于所述最大应力σ'max2和所述等效最小应力σ'min2，构建试验件的试验状态下等寿命曲线；
基于所述试验状态下等寿命曲线，将σ'min2-σ'max2-σ'min2的应力循环等效为0-σeff2-0的应力循环。
9.根据权利要求8所述的发动机关键件疲劳试验载荷确定方法，其特征在于，所述将所述最大应力σmax2和所述最小应力σmin2等效到发动机实际运行状态的所述最大应力σmax1对应温度下的等效最大应力σ'max2和等效最小应力σ'min2，包括：
获取最小应力σmin2对应的温度Tmin2和最大应力σmax2对应的温度Tmax2；
获取所述温度Tmin2对应的拉伸强度σb,Tmin2和所述温度Tmax2对应的拉伸强度σb,Tmax2；
将所述最大应力σmax2和所述最小应力σmin2根据所述拉伸强度σb,Tmax1、所述拉伸强度σb,Tmin2和所述拉伸强度σb,Tmax2等效到发动机实际运行状态的所述最大应力σmax1对应温度下的所述等效最大应力σ'max2和所述等效最小应力σ'min2，所述等效最大应力σ'max2和所述等效最小应力σ'min2的计算公式为：
，
。
10.根据权利要求8所述的发动机关键件疲劳试验载荷确定方法，其特征在于，所述发动机试验状态下有效应力σeff2的计算公式为：
。
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Citations (13)

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