CN118013728A - 一种损伤叶片高周疲劳极限预测方法、装置、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种损伤叶片高周疲劳极限预测方法、装置、设备及介质，涉及航空发动机损伤叶片高周疲劳极限测试技术领域，包括采用数值仿真和试验测试相结合获取损伤叶片缺口附近的残余应力和振动应力场，同时考虑在振动载荷作用下残余应力的演化，精确重构损伤叶片缺口附近的真实应力场并获取危险点的位置，利用临界距离体法预测损伤叶片高周疲劳极限。本发明着重考虑了振动应力、残余应力、应力梯度对损伤叶片疲劳极限的影响，重构振动载荷作用下损伤叶片缺口附近真实应力场，获取叶片危险点位置，以精确预测损伤叶片的高周疲劳极限。

Description

一种损伤叶片高周疲劳极限预测方法、装置、设备及介质

技术领域

本发明涉及航空发动机缺口叶片高周疲劳极限测试技术领域，特别涉及一种损伤叶片高周疲劳极限预测方法、装置、设备及介质。

背景技术

航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械，作为飞机的心脏，为飞机提供充足的动力，一般包括涡轮喷气/涡轮风扇发动机、涡轮轴/涡轮螺旋桨发动机、冲压式发动机和活塞式发动机，其不仅作为各种用途的军民用飞机、无人机和巡航导弹动力，而且利用航空发动机衍生发展的燃气轮机还被广泛用于地面发电、船用动力、移动电站、天然气和石油光纤等领域。

航空发动机在起飞、降落时，环境中的砂石、金属碎片等微小硬物会随着高速气流吸入进气道，冲击并打伤发动机叶片；由于风扇叶片工作时承受离心力、气动力，同时还叠加振动载荷作用，可能会导致叶片打伤处萌生疲劳裂纹并扩展，甚至导致叶片断裂，危及飞行安全；研究发现硬物打伤造成的缺口附近残余应力对风扇叶片高周疲劳性能有明显削弱作用；但目前，硬物打伤引起的残余应力对风扇叶片高周疲劳极限的影响相关研究鲜有报道；一方面，准确测量叶片缺口周边的残余应力大小及分布难度较大；另一方面，通过试验测试损伤叶片高周疲劳极限时，损伤叶片缺口附近除了有残余应力外，还存在振动应力；而且损伤引起的残余应力在振动载荷作用下还会逐步释放，因而，如何准确的获取风扇叶片在高周振动疲劳试验过程中缺口附近的真实应力场是预测损伤叶片高周疲劳极限的关键。

目前在工程中预测损伤叶片疲劳极限用用较为广泛的方法有Peterson模型，Neuber模型，这两种缺口疲劳强度预测方法仅考虑了应力集中系数以及强度极限对疲劳强度的影响，得到高周疲劳极限准确性偏低；临界距离理论考虑了缺口根部危险点周围的应力梯度作用，预测精度有所提高。

但是，传统的临界距离理论一般是采用线法和面法预测简单拉伸试件疲劳极限，且其不考虑硬物打伤在缺口附近引起的残余应力，因而对于具有复杂曲面构型的损伤叶片高周疲劳极限预测的精度较低，难以达到对于损伤叶片寿命精准分析和评估的目的。

发明内容

本发明实施例提供一种损伤叶片高周疲劳极限预测方法、装置、设备及介质，可以解决现有技术中，存在的在预测时没有考虑硬物打伤在叶片缺口附近引起的残余应力而致使对于叶片高周疲劳损伤极限预测精度较低的问题。

本发明实施例提供一种损伤叶片高周疲劳极限预测方法，包括以下步骤：

获取完整叶片模型，将完整叶片模型导入有限元数值仿真软件并进行硬物打伤仿真分析，获得损伤叶片的有限元数值仿真模型，以及获得损伤叶片缺口附近的残余应力；

对损伤叶片的有限元数值仿真模型进行模态分析，得到损伤叶片缺口附近的一阶弯曲模态应力；

对损伤叶片进行高周疲劳极限测试，在损伤叶片上选取特征点，粘贴应变片，实时监测特征点沿叶片长度方向的正应力，换算得到损伤叶片的疲劳极限，获得损伤叶片的真实振动应力和模态应力的比例系数；

根据获得的损伤叶片缺口附近的残余应力、损伤叶片缺口附近的一阶弯曲模态应力、损伤叶片的真实振动应力和模态应力的比例系数，获得损伤叶片缺口附近的真实应力场；

根据损伤叶片缺口附近的真实应力场，获取损伤叶片的真实危险点；利用临界距离体法获取真实危险点沿叶片长度方向的疲劳极限，得到损伤叶片高周疲劳极限的预测结果。

优选地，所述获得损伤叶片缺口附近的残余应力，包括以下步骤：

将完整叶片模型导入ABAQUS有限元软件，获取完整叶片的有限元数值仿真模型；

对完整叶片的有限元数值仿真模型进行硬物损伤仿真分析，获得损伤叶片的有限元数值仿真模型，以及获得损伤叶片缺口附近的残余应力。

优选地，所述得到损伤叶片缺口附近的一阶弯曲模态应力，包括以下步骤：

在ABAQUS有限元软件中对损伤叶片的有限元数值仿真模型进行模态分析，得到损伤叶片缺口附近的一阶弯曲模态应力。

优选地，所述得到损伤叶片的疲劳极限，包括以下步骤：

使用电动振动试验系统对损伤叶片进行高周疲劳试验，在远离损伤叶片缺口的位置选取特征点A，并给选取的特征点A粘贴应变片；

实时监测在高周疲劳试验过程中特征点A沿缺口叶片长度方向的正应力，获得损伤叶片特征点A在3×10⁷循环下的疲劳极限；并同时对损伤叶片的有限元数值仿真模型进行模态分析，得到损伤叶片特征点A一阶弯曲振型沿叶片长度方向的模态应力；

开展完整叶片的有限元模态数值仿真，计算其一阶模态，得到A点的模态应力σ_{A_仿真}和缺口根部危险点相应位置B点的模态应力σ_{B_仿真}，最后换算得到B点处沿叶片长度方向的疲劳强度σ_{B_测}：

其中：σ_{B_测}即该损伤叶片的疲劳极限；σ_A'为损伤叶片特征点在3×10⁷循环下的疲劳极限。

优选地，所述损伤叶片的真实振动应力和模态应力的比例系数的获取方法为：

其中：σ_A'为损伤叶片特征点在3×10⁷循环下的疲劳极限；σ'_{A_仿真}为损伤叶片特征点一阶弯曲振型沿叶片长度方向的模态应力。

优选地，所述损伤叶片缺口附近的真实应力场获取方法为：

σ_T＝α·σ_R+β·σ_M

其中：σ_T为损伤叶片缺口附近的真实应力；α为残余应力稳定系数；σ_R为损伤叶片缺口附近的残余应力；β为损伤叶片的真实振动应力和模态应力的比例系数；σ_M为损伤叶片缺口附近的一阶弯曲模态应力。

优选地，所述得到损伤叶片高周疲劳极限的预测结果，包括以下步骤：

根据损伤叶片缺口附近的真实应力场，获取损伤叶片缺口附近的真实危险点；

利用临界距离体法在真实危险点，以临界距离r_c为半径建立半球面，获取半球面区域内的平均应力，得到真实危险点沿叶片长度方向的疲劳极限，以此得到损伤叶片高周疲劳极限的预测结果。

本发明实施例还提供一种损伤叶片高周疲劳极限预测装置，包括：

第一仿真模块，用于获取完整叶片模型，将完整叶片模型导入有限元数值仿真软件并进行硬物打伤仿真分析，获得损伤叶片的有限元数值仿真模型，以及获得损伤叶片缺口附近的残余应力；

第二仿真模块，用于对损伤叶片的有限元数值仿真模型进行模态分析，得到损伤叶片缺口附近的一阶弯曲模态应力；

振动试验模块，用于对损伤叶片进行高周疲劳极限测试，在损伤叶片上选取特征点，粘贴应变片，实时监测特征点沿叶片长度方向的正应力，换算得到损伤叶片的疲劳极限，获得损伤叶片的真实振动应力和模态应力的比例系数；

应力获取模块，用于根据获得的损伤叶片缺口附近的残余应力、损伤叶片缺口附近的一阶弯曲模态应力、损伤叶片的真实振动应力和模态应力的比例系数，获得损伤叶片缺口附近的真实应力场；

疲劳极限预测模块，用于根据损伤叶片缺口附近的真实应力场，获取损伤叶片缺口附近的真实危险点；利用临界距离体法获取真实危险点沿叶片长度方向的疲劳极限，得到损伤叶片高周疲劳极限的预测结果。

本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器和处理器；

所述存储器，用于存储计算机程序；

所述处理器，用于执行所述存储器中存储的计算机程序时，实现如上所述的一种损伤叶片高周疲劳极限预测方法的步骤。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的一种损伤叶片高周疲劳极限预测方法的步骤。

本发明实施例提供一种损伤叶片高周疲劳极限预测方法、装置、设备及介质，与现有技术相比，其有益效果如下：

本发明采用数值仿真和试验测试相结合的方法分别获取损伤叶片缺口附近的残余应力和振动应力场，在振动载荷的作用下获得损伤叶片的疲劳极限，并将损伤叶片缺口附近的残余应力和振动应力与损伤叶片特征点的疲劳极限和模态应力进行重构，以获得损伤叶片缺口附近的真实应力场，根据真实应力场准确获取损伤叶片危险点的位置，利用临界距离体法得到损伤叶片高周疲劳极限的预测结果，本发明着重考虑了振动应力、残余应力、应力梯度对损伤叶片疲劳极限的影响，重构振动载荷作用下损伤叶片缺口附近真实应力场，获取叶片危险点位置，精确评估损伤叶片的高周疲劳极限，从而为航空发动机叶片定寿、延寿提供技术支撑。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种损伤叶片高周疲劳极限预测方法、装置、设备及介质的整体流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种损伤叶片高周疲劳极限预测方法、装置、设备及介质的损伤叶片前缘损伤形状示意图；

图3为本发明实施例提供的一种损伤叶片高周疲劳极限预测方法、装置、设备及介质的损伤叶片前缘损伤形状模拟示意图；

图4为本发明实施例提供的一种损伤叶片高周疲劳极限预测方法、装置、设备及介质的完整叶片模拟示意图；

图5为本发明实施例提供的一种损伤叶片高周疲劳极限预测方法、装置、设备及介质的临界距离体法计算缺口叶片临界距离的示意图；

图6为本发明实施例提供的一种损伤叶片高周疲劳极限预测方法、装置、设备及介质的高周疲劳极限实验值和预测值对比示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

参见图1～6，本发明实施例提供了一种损伤叶片高周疲劳极限预测方法，包括以下步骤：

步骤一：将完整叶片模型导入ABAQUS有限元软件，开展叶片硬物打伤仿真分析，得到叶片缺口尺寸和缺口附近的残余应力σ_R；采用空气炮开展完整叶片硬物打伤试验，得到硬物打伤后带缺口的叶片，并和仿真分析得到的叶片缺口尺寸进行对比，如图2和图3所示，验证叶片硬物打伤仿真分析结果的准确性。

步骤二：将硬物打伤仿真得到的损伤叶片模型导入ABAQUS有限元软件，开展模态分析得到损伤叶片缺口附近一阶弯曲模态应力σ_M；使用电动振动试验系统对损伤叶片进行高周疲劳试验，在远离缺口的位置(记为A点)处贴上应变片(如图4所示)，监测A点沿叶片长度方向的正应力，得到该点在3×10⁷循环下的疲劳极限σ_A'；尽管仿真模态应力与真实振动应力存在偏差，但各点应力的比例关系依然成立，真实应力和模态应力的比例系数β等于：

其中：σ'_{A_仿真}为损伤叶片A点一阶弯曲振型沿叶片长度方向的模态应力。

步骤三：将仿真分析得到的损伤叶片模型缺口周边所有单元的残余应力和振动应力进行叠加，得到的就是在振动疲劳试验时叶片缺口附近的真实应力场；考虑到残余应力在振动载荷作用下会逐步释放，叠加时，残余应力应乘以一定大小的稳定系数；损伤叶片振动疲劳试验时缺口附近的真实应力σ_T可以用以下公式进行计算：

σ_T＝α·σ_R+β·σ_M

其中：α为残余应力稳定系数，残余应力的释放和振动载荷幅值、材料以及结构形式均有关，本发明中叶片残余应力稳定系数取0.3；β为模态应力和真实应力的比例系数，可通过前面所述的公式进行计算。

步骤四：将完整叶片模型导入，ABAQUS有限元软件，如图4所示，开展完整叶片的有限元模态数值仿真，计算其一阶模态，得到A点处的模态应力σ_{A_仿真}和缺口根部危险点相应位置(B点)处的模态Mises应力σ_{B_仿真}，最后换算得到B点处沿叶片长度方向的疲劳强度σ_{B_测}：

σ_{B_测}即该损伤叶片的疲劳极限，考虑到损伤引起的残余应力的影响，缺口根部一阶模态应力最大位置(名义危险点，B点)并非真实的危险点；因此，为了加以区分，后续将叠加残余应力后真实的危险点记为C点。

步骤五：当损伤叶片达到疲劳极限时，如图5所示，A点处的应力为其疲劳极限σ_A'，根据临界点距离的体法理论，C点附近区域(以C为球心、以临界距离r_c为半径，在沿缺口深度方向上的半球面范围内)的平均应力σ_{T,aver_0}，刚好等于光滑试样的疲劳极限σ_-1，因此，可得：

其中：σ_{B_测}为试验中测出的损伤叶片名义危险点(B点)处沿叶片长度方向的疲劳极限；σ_-1为光滑试样的疲劳极限，是材料常数；σ_{T,aver_0}为缺口真实应力场C点附近区域(以C为球心、以临界距离r_c为半径，在沿缺口深度方向上的半球面范围内)的平均应力；σ_{A_仿真}和σ_{B_仿真}为完整叶片一阶模态仿真中A点处和B点处的模态应力。

步骤六：σ_{T,aver_0}可以用以下公式进行计算：

其中：N为重心在球范围内的六面体单元个数；σ_i为单元三个主应力的绝对值的最大值；V_i为单元体积。

步骤七：采用临界体法进行损伤叶片的振动疲劳极限预测时，先用步骤六的公式计算得到若干试样的临界距离r_c，然后，建立临界距离与缺口深度a、宽度b和应力集中系数K_t的定量关系模型表达式：

r_c＝f(a，b，K_t)。

然后将r_c代入步骤五的公式中计算其他试样的σ_{B_预测}，并和相应的实验结果σ_{B_测}进行比较，从而验证模型的精度。

如图6所示，为Peterson模型、临界距离模型、考虑残余应力的临界距离模型预测结果与试验结果的对比；其中，Peterson模型预测的平均误差为19.60％，有三个试件疲劳极限预测误差大于20％，最大的误差达到51.39％；临界距离模型的平均误差为13.25％，同样有三个试件疲劳极限预测误差大于20％，最大误差为28.23％；考虑残余应力的临界距离模型的平均误差为9.35％，仅有两个试件疲劳极限预测误差大于20％，大多数试样结果均落在±10％的范围内；可以看出，考虑残余应力影响的临界距离模型预测精度高于Peterson模型和未考虑残余应力的临界距离模型，该模型是评价损伤叶片疲劳极限的有效方法。

本发明实施例还提供一种损伤叶片高周疲劳极限预测装置，包括：

第一仿真模块，用于获取完整叶片模型的有限元数值仿真模型，将模型进行硬物打伤仿真分析，获得损伤叶片缺口附近的残余应力。

第二仿真模块，用于根据损伤叶片模型建立损伤叶片的有限元数值仿真模型，对有限元数值仿真模型进行模态分析，得到损伤叶片缺口附近的一阶弯曲模态应力。

振动试验模块，用于对硬物打伤试验得到的损伤叶片进行高周疲劳极限测试，在损伤叶片上选取特征点，粘贴应变片，实时监测特征点沿叶片长度方向的正应力，换算得到损伤叶片的疲劳极限，获得损伤叶片的真实振动应力和模态应力的比例系数。

应力获取模块，用于根据获得的损伤叶片缺口附近的残余应力、损伤叶片缺口附近的一阶弯曲模态应力、损伤叶片的真实振动应力和模态应力的比例系数，获得损伤叶片缺口附近的真实应力场。

疲劳极限预测模块，用于根据损伤叶片缺口附近的真实应力场，获取损伤叶片缺口附近的真实危险点，利用临界距离体法获取真实危险点沿叶片长度方向的疲劳极限，得到损伤叶片高周疲劳极限的预测结果。

本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器和处理器。

所述存储器，用于存储计算机程序。

所述处理器，用于执行所述存储器中存储的计算机程序时，实现一种损伤叶片高周疲劳极限预测方法的步骤。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现一种损伤叶片高周疲劳极限预测方法的步骤。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种损伤叶片高周疲劳极限预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取完整叶片模型，将完整叶片模型导入有限元数值仿真软件并进行硬物打伤仿真分析，获得损伤叶片的有限元数值仿真模型，以及获得损伤叶片缺口附近的残余应力；

对损伤叶片的有限元数值仿真模型进行模态分析，得到损伤叶片缺口附近的一阶弯曲模态应力；

对损伤叶片进行高周疲劳极限测试，在损伤叶片上选取特征点，粘贴应变片，实时监测特征点沿叶片长度方向的正应力，换算得到损伤叶片的疲劳极限，获得损伤叶片的真实振动应力和模态应力的比例系数；

根据获得的损伤叶片缺口附近的残余应力、损伤叶片缺口附近的一阶弯曲模态应力、损伤叶片的真实振动应力和模态应力的比例系数，获得损伤叶片缺口附近的真实应力场；

根据损伤叶片缺口附近的真实应力场，获取损伤叶片的真实危险点；利用临界距离体法获取真实危险点沿叶片长度方向的疲劳极限，得到损伤叶片高周疲劳极限的预测结果。

2.根据权利要求1所述的一种损伤叶片高周疲劳极限预测方法，其特征在于，所述获得损伤叶片缺口附近的残余应力，包括以下步骤：

将完整叶片模型导入ABAQUS有限元软件，获取完整叶片的有限元数值仿真模型；

对完整叶片的有限元数值仿真模型进行硬物损伤仿真分析，获得损伤叶片的有限元数值仿真模型，以及获得损伤叶片缺口附近的残余应力。

3.根据权利要求1所述的一种损伤叶片高周疲劳极限预测方法，其特征在于，所述得到损伤叶片缺口附近的一阶弯曲模态应力，包括以下步骤：

在ABAQUS有限元软件中对损伤叶片的有限元数值仿真模型进行模态分析，得到损伤叶片缺口附近的一阶弯曲模态应力。

4.根据权利要求1所述的一种损伤叶片高周疲劳极限预测方法，其特征在于，所述得到损伤叶片的疲劳极限，包括以下步骤：

使用电动振动试验系统对损伤叶片进行高周疲劳试验，在远离损伤叶片缺口的位置选取特征点A，并给选取的特征点A粘贴应变片；

实时监测在高周疲劳试验过程中特征点A沿缺口叶片长度方向的正应力，获得损伤叶片特征点A在3×10⁷循环下的疲劳极限；并同时对损伤叶片的有限元数值仿真模型进行模态分析，得到损伤叶片特征点A一阶弯曲振型沿叶片长度方向的模态应力；

开展完整叶片的有限元模态数值仿真，计算其一阶模态，得到A点的模态应力σ_{A_仿真}和缺口根部危险点相应位置B点的模态应力σ_{B_仿真}，最后换算得到B点处沿叶片长度方向的疲劳强度σ_{B_测}：

其中：σ_{B_测}即该损伤叶片的疲劳极限；σ_A'为损伤叶片特征点在3×10⁷循环下的疲劳极限。

5.根据权利要求1所述的一种损伤叶片高周疲劳极限预测方法，其特征在于，所述损伤叶片的真实振动应力和模态应力的比例系数的获取方法为：

其中：σ_A'为损伤叶片特征点在3×10⁷循环下的疲劳极限；σ'_{A_仿真}为损伤叶片特征点一阶弯曲振型沿叶片长度方向的模态应力。

6.根据权利要求1所述的一种损伤叶片高周疲劳极限预测方法，其特征在于，所述损伤叶片缺口附近的真实应力场获取方法为：

σ_T＝α·σ_R+β·σ_M

其中：σ_T为损伤叶片缺口附近的真实应力；α为残余应力稳定系数；σ_R为损伤叶片缺口附近的残余应力；β为损伤叶片的真实振动应力和模态应力的比例系数；σ_M为损伤叶片缺口附近的一阶弯曲模态应力。

7.根据权利要求1所述的一种损伤叶片高周疲劳极限预测方法，其特征在于，所述得到损伤叶片高周疲劳极限的预测结果，包括以下步骤：

根据损伤叶片缺口附近的真实应力场，获取损伤叶片缺口附近的真实危险点；

利用临界距离体法在真实危险点，以临界距离r_c为半径建立半球面，获取半球面区域内的平均应力，得到真实危险点沿叶片长度方向的疲劳极限，以此得到损伤叶片高周疲劳极限的预测结果。

8.一种损伤叶片高周疲劳极限预测装置，其特征在于，包括：

第一仿真模块，用于获取完整叶片模型，将完整叶片模型导入有限元数值仿真软件并进行硬物打伤仿真分析，获得损伤叶片的有限元数值仿真模型，以及获得损伤叶片缺口附近的残余应力；

第二仿真模块，用于对损伤叶片的有限元数值仿真模型进行模态分析，得到损伤叶片缺口附近的一阶弯曲模态应力；

振动试验模块，用于对损伤叶片进行高周疲劳极限测试，在损伤叶片上选取特征点，粘贴应变片，实时监测特征点沿叶片长度方向的正应力，换算得到损伤叶片的疲劳极限，获得损伤叶片的真实振动应力和模态应力的比例系数；

应力获取模块，用于根据获得的损伤叶片缺口附近的残余应力、损伤叶片缺口附近的一阶弯曲模态应力、损伤叶片的真实振动应力和模态应力的比例系数，获得损伤叶片缺口附近的真实应力场；

疲劳极限预测模块，用于根据损伤叶片缺口附近的真实应力场，获取损伤叶片缺口附近的真实危险点；利用临界距离体法获取真实危险点沿叶片长度方向的疲劳极限，得到损伤叶片高周疲劳极限的预测结果。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器和处理器；

所述存储器，用于存储计算机程序；

所述处理器，用于执行所述存储器中存储的计算机程序时，实现如权利要求1～7任一项所述的一种损伤叶片高周疲劳极限预测方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～7任一项所述的一种损伤叶片高周疲劳极限预测方法的步骤。