多轴疲劳理论在航空发动机零部件寿命预测中的应用

由于航空发动机主要零部件结构形状及工作环境复杂，工作时承受多种类型的循环载荷，寿命考核部位有可能处于多轴应力状态，因此寿命预测分析需要考虑多轴应力状态的影响。近些年由于疲劳试验技术的提高，多轴(或双轴)疲劳研究取得较快的进展，并逐步应用到工程实际当中。在对航空发动机主要零部件工作中的应力状态进行分析的基础上，应用局部应力应变的近似计算方法及多轴疲劳寿命预测模型对航空发动机轮盘进行寿命预测，并与单轴结果进行了比较。     

航空发动机自由涡轮盘低循环疲劳寿命试验研究

针对某型航空发动机适航取证项目要求，对该发动机自由涡轮盘开展寿命研究。综合考虑自由涡轮盘标准工作循环内 温度场和转速载荷，采用线弹性有限元应力分析法对轮盘进行应力分析，据此确定轮缘和盘心为轮盘应力水平及疲劳寿命的关键 考核部位；充分考虑试验器能力及试验过程的可监控性等因素，设计并开展了能够对该自由涡轮盘关键部位进行有效考核的试验 载荷系数为1 的试验器循环疲劳试验；根据试验结果对轮盘低循环疲劳寿命进行分析。结果表明：该自由涡轮盘的预定安全循环 寿命为6500 次。     

直升机发动机历程数据管理信息系统的建立与应用齐 驰,滑朋杰,刘永新,孙世霞

直升机发动机历程记录仪用于科学、准确地计算航空发动机的工作时间和循环寿命消耗,为外场监控发动机的使用寿命提供科学依据。根据全系统全寿命维修管理的要求,为了更好地发挥发动机历程数据在航空维修管理中的作用,建立了某型直升机发动机历程数据管理信息系统,对于提高发动机全寿命管理具有较高应用价值。     

航空发动机监控技术

在发动机工作过程中，对发动机的一些参数及系统的工作情况进行监控，是保证发动机正常工作的重要手段之一。同时，它也为发动机的视情维护提供了必要的依据，从而提高发动机的可维修性。使维护人员能及时根据监控情况，作出分析、判断而采取相应的维护措施，排除故障或潜在故障，保证发动机安全工作，延长发动机的装机寿命。发动机的监控包括下面几个方面：（1）发动机工作状态监控，通常由发动机的指示系统来完成；（2）发动机振动监控；（）滑油监控；（）发动机气路参数分析，即目前各发动机厂家所采用的“飞机发动机状态监控系统”。一…     

模拟轴向载荷作用的轮盘低循环疲劳寿命试验研究

提出了可有效模拟轴向载荷的航空发动机轮盘低循环疲劳寿命试验方法。在综合考虑轮盘装配及工作温度场、转速等工作状态边界条件和载荷的基础上,对轮盘进行线弹性有限元应力分析,了解轮盘应力水平及寿命关键考核部位。在充分考虑试验器能力及试验过程的可监控性等因素下,设计了能有效模拟承受轴向载荷的轮盘低循环疲劳寿命试验装置、试验方法,并进行试验。最后,对试验结果进行分析,确定出轮盘预定安全循环寿命。     

某压气机轮盘低循环疲劳寿命研究

本文以某发动机压气机轮盘榫槽低循环疲劳(LCF)为研究对象.针对其疲劳载荷非对称、危险部位数目较多等特点,对其进行寿命预测和试验研究.轮盘低循环疲劳寿命预测采用工程中常用的通用斜率以及Manson-Coffin公式进行,并考虑平均应力修正方法、危险部位数目对轮盘低循环疲劳寿命的影响以及多轴疲劳寿命预测方法.通过轮盘低循环疲劳试验,再现了在役发动机轮盘榫槽槽底裂纹,验证了轮盘低循环疲劳寿命预测模型和方法的有效性.     

基于SAE-SA-1D-CNN-BGRU的涡扇发动机剩余寿命预测

为解决涡扇发动机监测数据维度高和寿命预测准确度低的问题,提出一种基于深度学习的寿命预测方法,开展了利用 神经网络获取涡扇发动机剩余寿命的研究。利用堆叠自编码（SAE）网络从高维传感器数据中提取健康因子（HI）,采用1维卷积神 经网络-双向门控循环单元（1D-CNN-BGRU）方法捕捉HI序列中的空间和时间特征,并引入自注意（SA）机制对捕捉的特征分配 权重,使用全连接层输出涡扇发动机剩余使用寿命（RUL）,以此构建复合神经网络进行面向涡扇发动机高维数据的寿命预测。结 果表明：利用NASA官方网站提供的涡扇发动机寿命试验公开数据集C-MAPSS对该方法进行验证,取得了均方根误差16.22和评 分函数225的结果。证明了基于SAE-SA-1D-CNN-BGRU的寿命预测方法可实现涡扇发动机寿命的有效预测,能为涡扇发动机 维修保障及健康管理提供有效决策支撑。     

圆弧形榫连结构低周疲劳试验设计与寿命预测

为了研究大涵道比涡轮风扇发动机宽弦风扇叶片中采用的圆弧形燕尾榫连结构的低循环疲劳寿命,设计了1种双榫头的低循环疲劳试件及夹具,该试件具有可以避免试件上打孔、所受载荷单一、节省试验时间等优点。利用通用软件ANSYS对试件及夹具进行了3维接触应力分析,得到了试件及夹具上的应力分布规律,证明了该试件设计的可行性与合理性。考虑多轴应力对寿命的影响,对试件进行了弹塑性分析,用4种方法预测了试件的疲劳寿命并与初步的试验结果进行了比较,给出了4种预测方法的相对误差。结果表明:Neuber法和等效应变法应用较方便且预测结果均在可接受范围内。     

考虑蠕变和应力松弛的发动机高温构件寿命分析方法

建立了考虑蠕变和应力松弛的航空发动机涡轮叶片等高温构件的持久寿命和低循环疲劳寿命预测方法。用该方法对某型发动机低压涡轮工作叶片在实际飞行载荷谱作用下的持久寿命和低循环疲劳寿命进行了分析。研究结果表明,所建立的寿命预测方法是合理可行的。      

GH4169合金蠕变疲劳行为的有限元模拟及寿命预测

考虑蠕变-疲劳损伤,对部件材料进行合理的循环变形描述和准确的寿命预测,是保证航空发动机等高温设备长周期安全运行需要解决的关键问题之一。基于大型有限元软件ABAQUS,采用组合Chaboche随动强化准则和Voce各向同性硬化准则的循环弹塑性本构模型,叠加应变强化的蠕变本构模型,对GH4169合金在蠕变-疲劳载荷下伴有应力松弛的循环变形行为进行了准确的有限元模拟。同时,将Wang等最新修正的基于逐周次概念的蠕变-疲劳损伤模型进行了有限元移植,结合有限元模拟所得的循环应力、应变状态,实现了对GH4169合金蠕变-疲劳寿命的准确预测。研究结果将为进一步实现对航空发动机关键部件精确的寿命预测提供理论基础和技术手段。     

轮盘偏心孔低循环疲劳寿命预测法

本文在系统的试验研究基础上提出了应用光滑圆棒试样的低循环疲劳断裂寿命统计数据来精确地预测轮盘偏心孔的低循环疲劳起始中值寿命和可靠性寿命(存活率p=99.9％)的方法。研究表明,对近似于单轴应力状态的轮盘偏心孔来说,其起始寿命一般只与危险点上的最大应变历程有关,而与应变梯度关系不大。研究还表明,中值寿命通常只与钢的化学成份和热处理种类有关;而可靠性寿命则与许多因素有关。     

基于改进ConvNeXt模型的压气机变几何系统T-step预测方法

为了实时监控航空发动机压气机变几何系统的状态并获取警告信号，提出一种基于改进ConvNeXt 模型的T步（T-step） 预测方法。与仿真数据和特定试验条件下生成的数据集相比，T-step预测方法采用了飞机数据采集系统记录的实际飞行数据。 证实了采用改进ConvNeXt模型预测压气机变几何系统参数的可行性，并在发动机过渡状态和稳态下分别进行了试验验证。结果 表明：采用改进ConvNeXt模型的T步（T-step）预测方法能精准地预测压气机VSV角度和VBV开度的变化，最低可达2.132°和 7.077°，预测误差在可接受范围内。该方法能识别和预测各类型航空发动机不同运行状态的变几何系统参数的角度，获得相对准 确的结果。     

基于Wiener过程的民用航空发动机性能可靠性预测

通过对民用航空发动机性能退化数据的分析,提出了一种有效融合先验退化数据和现场退化数据的性能可靠性评估和剩余寿命预测方法.首先在先验退化数据的基础上确定Wiener过程参数的先验分布,然后利用贝叶斯方法融合新增的现场数据,对Wiener过程参数进行更新,并在此基础上对单台发动机进行性能可靠性评估和剩余寿命预测.该方法能根据现场退化数据不断地对可靠性和剩余寿命进行更新.最后通过某航空公司发动机性能退化数据验证文中提出的方法,结果表明41号发动机在2000循环和3000循环时预测的剩余寿命相对误差分别为0.060和0.018,可以满足航空公司发动机下发计划制定的实际需要.      

航空发动机涡轮盘低循环疲劳寿命研究

结合某型涡轴发动机一级涡轮盘低循环疲劳寿命研究的工程实践,阐述了对涡轮盘低循环疲劳寿命研究的一般过程和方法,提出了涡轮盘低循环疲劳寿命试验的加载程序和方法,对开展同类型的涡轮盘疲劳寿命研究具有借鉴作用。     

AEDC发动机完成高循环疲劳数学模型和技术试验验证

最近，美国空军阿诺德工程发展中心(AEDC)对发动机高循环疲劳数学模型和技术进行了试验验证，并提供了重要的发动机排气信息。该中心以F119发动机为试验平台，确定了计算机仿真非常好地预测了高循环疲劳和飞行中发动机的应力点。     

密集编队中飞机发动机的疲劳损伤差异

选取典型密集编队飞行任务,利用实测飞行数据,研究了在飞行动作几乎完全相同的条件下飞机发动机疲劳损伤的差异.经过二次雨流法统计循环次数和线性累积损伤理论折合到标准循环,得出了密集编队中长、僚机因位置不同而造成的发动机疲劳损伤的差异及其统计规律,发现疲劳损伤差异分布为威布尔分布,单机差异一般为2～4倍,最大可以达到9～10倍.进一步揭示了发动机疲劳载荷/损伤的分散性和单机疲劳寿命监控的必要性.      

某型发动机第Ⅰ级涡轮盘低循环疲劳试验研究

为了通过地坑式旋转疲劳试验器确定某型发动机第Ⅰ级涡轮的技术寿命,根据给定的该涡轮盘的标准循环载荷谱,对该涡轮盘进行了应力分析,确定了在标准循环时该盘中心孔与径向销孔相交处是危险区域（简称为考核部位）为模拟标准循环时盘在该考核部位的应力谱,专门设计了该Ⅰ级涡轮盘的试验转子及试验参数,在轮盘低循环疲劳考试器上进行了高温低循环疲劳试验。试验结果表明：低循环疲劳试验至第7087次循环时,在该盘预计的考核部位出现了长26mm的裂纹。断口分析表明：可以定该盘试验低循环疲劳失效寿命为7087周,试验低循环疲劳裂纹起始寿命为3493周,试验低循环疲劳裂纹扩展寿命为3594周。     

基于推广疲劳-蠕变等效转换理论的高温条件载荷谱编制方法

针对现有载荷处理方法对高温条件下保载时间内损伤的忽略或考虑不足问题，对疲劳-蠕变转换理论进行了推广，给出普适的转换模型建立流程，以此修正雨流计数中的等值点压缩、小幅值剔除等数据压缩步骤，从而获得了能够量化全工况保载损伤的高温条件载荷谱编制方法。在航空发动机高压涡轮盘上的应用表明：本方法考虑了全工况等值及小幅值载荷贡献的疲劳-蠕变耦合损伤，其相当于纯疲劳循环（传统雨流法）的298.25%，比常规转换方法多236.91%；寿命预测误差为8.35%，较常规转换方法降低了95%，仅为传统雨流法的2.5%，证明了优化的高温条件载荷谱编制方法的应用价值。     

某型航空发动机寿命试车程序研究

在某型航空发动机使用载荷分析基础上，将发动机实际使用载荷(主要包括低循环疲劳载荷、蠕变载荷、高周疲劳载荷)融入寿命试车程序中，编制出该型发动机寿命试车程序。本文建立的在使用载荷分析基础上编制发动机寿命试车程序的方法以及编制的寿命试车程序，对于其他型号发动机的寿命试车也具有重要的参考价值。     

危险部位数目对轮盘低循环疲劳寿命的影响研究

航空发动机轮盘低循环疲劳危险部位一般是多个,而且具有相同的温度和应力水平。本文参考国外相关资料,系统地推导并给出了考虑多危险部位数目对疲劳寿命影响的修正公式,并给出了两个工程应用实例。结果表明,本文给出的疲劳寿命修正公式简单、实用,可以明显地提高疲劳寿命预测精度。