关于飞机结构疲劳载荷谱低载截除水平选取的探讨

低载截除作为飞机结构疲劳载荷谱简化的重要内容之一，可以大幅节省疲劳试验的时间与成本，然而目前对于低载截除水平的选取尚无公认的标准方法。本文对文献中已有的低载截除水平进行广泛地搜集，将低载截除水平划分为基于材料疲劳极限与基于谱最大载荷的两种选取方式，探究两种选取方式之间的联系，建立低载截除水平关系模型。结果表明：两种低载截除水平选取方式本质上是一致的，基于谱最大载荷的选取方式结合了飞机载荷与结构材料的特点，是对基于材料疲劳极限选取方式的延伸，所建立的低载截除水平关系模型能够为实际工程中疲劳载荷谱简化时低载截除水平的确定提供参考。     

随机谱中小幅载荷对裂纹扩展寿命的影响

采用7050-T7451铝合金标准中心裂纹拉伸试样进行随机谱载荷下的疲劳裂纹扩展试验,研究在不同低载截除水平、不同裂纹参考长度下,裂纹扩展寿命及其分散性的变化。采用F检验法,对不同载荷谱下的裂纹扩展寿命的方差及相同载荷谱,不同裂纹长度的寿命的方差进行检验。分析表明,第一级和第二级截除水平下的裂纹扩展寿命的分散性没有显著差别,当载荷截除水平提高到最大幅值载荷的21％时,寿命分散性显著变大;相同载荷谱下,不同裂纹长度对应的扩展寿命的分散性没有显著差别。试验结果也表明,本文所考察的3个水平的小幅值载荷对裂纹扩展寿命的均值有显著影响;因此,在损伤容限和可靠性分析中,这些小幅值载荷是不可忽略的。     

疲劳载荷谱B氏等效与试验验证

疲劳试验是确定结构疲劳特性的最有效手段。为缩短疲劳试验时间,通常采用低载截除方法。相对于低载截除,载荷折算能进一步缩短试验时间,减小成本。为了能够合理地对载荷谱进行简化浓缩,本文选取了Bhattacharyya距离(简称B距离)作为衡量原谱与等效谱寿命相似程度的参量,综合考虑了寿命均值与分散性,得到浓缩后疲劳载荷等效谱。基本方法是在给定折算水平下,得到相应B距离最小的等效谱,并进行了缺口试验件的试验验证。结果表明,该方法合理有效,可大幅缩短试验时间。     

飞机疲劳载荷谱试验研究

介绍了在战斗机谱载作用下的30CrMnSiNi2A和LY12CZ试件的裂纹形成寿命试验,以及在运输机谱载作用下的30CrMnSiA和LY12CZ试件的裂纹扩展寿命试验。对影响疲劳寿命的主要参数,如高载截取、低载截除、载荷顺序以及不同载荷谱型对寿命的影响进行了讨论,得出了一些有重要意义的结论。     

基于损伤等效的多轴疲劳试验谱编制研究

针对多轴载荷下多危险点单轴应力破坏模式,以损伤等效为基础,提出了一种多轴载荷下的疲劳试验载荷谱编制方法.该方法首先对最危险点处的应力应变历程进行雨流计数,对得到的应力应变循环按幅值进行分组统计,再根据损伤等效原则对各组进行循环载荷搜索,最后将各组搜索到的包含一定次数的循环载荷按顺序连接起来,即为疲劳试验谱.试验结果分析表明,该方法定量地保证了试验载荷谱与原载荷谱的疲劳损伤一致,操作简单可行.      

某型飞机断裂谱的低载截除

本文研究了载除载荷谱中低载对全机结构各部位裂纹扩展寿命的影响。指出寿命误差主要取决于开裂结构的材料参数，而应力谱谱型与开裂部位的影响则可忽略不计，。同时，将全机结构各部位寿命误差ε的计算简化为仅对收音机几种材料下的裂纹扩展比ＣＲ，ｔｐ的计算，并且仅按材料选取裂纹扩展寿命对比试验部位，从而极大地缩短了谱低截截除论证的计算和试验周期。ＬＣ４铝合金及３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ合金钢的计算结果与试验结果相当     

无人作战飞机载荷谱编制方法

无人作战飞机具有飞行小时少、日历寿命长、飞行强度大等特点,其作战使用用途和使用特点与有人机相比,均存在很大区别。文中在借鉴有人机载荷谱编制经验的基础上,研究了无人作战飞机的使用特点,确定了无人作战飞机的典型使用任务剖面,结合典型试验件的疲劳试验结果,探索了无人作战飞机载荷谱的编谱原则,以及高载截取和低载截除的方法,为无人作战飞机结构疲劳分析和寿命评定工作奠定了基础。     

涡轮盘材料低周叠加高周复合疲劳断裂特性研究

航空发动机的载荷谱,包含起飞和着陆间的各种巡航状态,可简化为梯形波表示。在涡轮盘和压气机盘的关键区域,如连接叶片的盘缘,离心力和热应力的变化,以起动——停车作为一个工作循环,称为主循环,是低周疲劳的主要损伤源。在载荷保持期间(巡航状态),局部高应力区可能产生蠕变或应力松弛,实际上还会有低幅值高周振动(称为次循环)应力叠加在主循环上,简化载荷谱如图1所示。这种状态除航空发动机外,在多数动力机械如原子能装置、内燃机等都可能发生。在评定承受低周叠加高周复合作用的构件及材料疲劳断裂性能时,应该考虑高周损伤的重要作用。本文介绍近年来所作初步研究的部分结果。      

基于疲劳-蠕变载荷等效转换的涡轮盘载荷谱编制及寿命预测

针对雨流计数法在峰谷值提取时进行等值压缩,忽略保载时间的问题进行了改进,提出了一种基于损伤曲线的疲劳-蠕变载荷等效转换方法。利用非线性疲劳损伤累积函数和损伤等效原则,建立了不同应力水平、不同保载时间下疲劳-蠕变载荷与疲劳载荷之间的等效换算模型。利用涡轮盘材料试验数据,计算了不同循环加载条件下的等效换算比,得到了其随保载时间的变化规律。利用改进的雨流计数法,编制了航空发动机高压涡轮盘载荷谱,并将其与寿命-时间分数预测法相结合,得到了涡轮盘剩余寿命。结果表明,改进的雨流计数法综合考虑了疲劳-蠕变耦合损伤对涡轮盘寿命造成的影响,相比于传统雨流计数法,寿命预测误差降低了15.02%,验证了该方法的有效性。     

民机全机疲劳试验综合加速技术研究与验证

民机全机疲劳试验关系到适航取证和服役使用，为缩短疲劳试验时间，从载荷谱简化和试验过程提速两方面进行综合性加速技术研究。对细节疲劳额定值(DFR)法改进使之适用于全寿命区间后，基于改进DFR法提出了以损伤比为判断标准的载荷谱等损伤折算方法，通过小试验件验证了载荷谱简化方法的正确性，并将其应用于全机疲劳试验。载荷谱简化后各任务段的总循环次数大幅减少，采用简化谱的后机身试验损伤结果与原谱全机试验基本相同，说明了该方法适用于全机试验。在试验设计和实施阶段，提出了快速载荷处理的载荷整体平衡优化方法和缩短每循环加载时长的分段等速率加载优化方法，载荷处理结果误差均满足设计要求，优化后的平均每日起落数由48提高到90。     

基于循环应变特征的疲劳-蠕变寿命预测方法

为研究非对称加载下疲劳-蠕变交互作用对粉末高温合金涡轮盘寿命的影响,开展了550 ℃时不同应力水平及保载时间下FGH96粉末高温合金的低周疲劳-蠕变试验,得到了材料的循环应变响应及疲劳-蠕变寿命随保载时间的变化规律。在此基础上,结合材料的循环软化特征,以循环应变范围作为损伤控制参量,将其与保载时间和动态循环次数相关联,提出了一种基于循环应变特征的疲劳-蠕变寿命预测方法。该模型综合考虑了载荷历程和保载时间对材料疲劳-蠕变损伤的影响,能够实现不同应力水平、不同保载时间下FGH96粉末高温合金疲劳-蠕变寿命预测以及消耗寿命的动态跟踪。通过与工程上常用的几种模型进行对比,发现新模型具有较高的预测精度,且预测结果分散性较小,寿命预测结果基本位于±2.5倍寿命分散带之内,预测标准差小于0.4。     

高温不锈钢与钛合金微动疲劳特性的实验研究

用桥式试样研究了接触压力、微动幅度、温度、循环次数、高低周载荷幅值比等参数对微动疲劳寿命影响。结果表明拉应力和法向压力均影响微动疲劳寿命。当拉应力较大时,微动疲劳寿命（FFL）与普通疲劳寿命（PFL）相差不大,法向压力的影响不明显;拉应力较小时,FFL显着低于PFL,且法向影响显着。FFL随法向压力增加而降低,但当超过200MPa后,反而提高。高低周幅值比的增加,FFL大幅度降低。当幅值比为0.125,从室温到450℃,PFL持续降低。而FFL从室温到200℃降低幅度较大,在300℃左右恢复,随后又降低。研究表明FFL的恢复是微动表面形成了防护性釉质层的结果。     

航空发动机设计任务循环的选取

由某型发动机的未来使用任务推导了其设计飞行任务剖面和飞行任务混频,然后根据该发动机的高度－速度特性得出了其转速剖面。在该转速剖面下对发动机的压气机盘进行了应力和疲劳寿命计算,由计算结果得出该发动机设计任务循环的选取范围,认为：航空发动机的设计任务循环除0－最大－0、慢车－最大－慢车和巡航－最大－巡航3类循环以外,还应当包括对发动机构件疲劳寿命有较大影响的其它载荷循环,否则将造成设计载荷估计精度大大降低。     

逐次累积裂纹扩展计算的循环计数方法

给出一种疲劳损伤的累积方法,用于随机谱载下的裂纹扩展模型计算,该方法既能充分计及疲劳裂纹尖端材料的累积损伤作用,又提供了在裂纹扩展模型计算中实时考虑加载序列影响的可能性。本方法可应用于各类疲劳寿命及裂纹增长分析预测模型的计算,克服了以往方法中不能维持原有峰谷序列的缺陷,使模型计算过程更趋合理和符合实际的损伤机制,从而便于各种模型的发展、改进和评价。     

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。     

飞机结构疲劳加速谱编制及损伤概率分布

 将实测载荷谱对飞机结构造成的损伤量作为随机变量，进行统计分析，确定出满足高置信度的中值原始载荷谱，然后，根据损伤等效原理，编制飞机结构加速试验谱。此加速试验谱保持与原始实测谱主波型态和载荷序列不变，只对二级波进行等损伤折算，它只有原谱的1/5左右。     

涡轮叶片耦合疲劳寿命预测与试验验证

为了解决涡轮转子叶片在温度、离心力和气动/噪声联合载荷作用下的疲劳强度问题,开展了高低周复合载荷谱分解方法和基于高低周载荷的全时域蠕变损伤累积模型研究,提出了同时考虑蠕变损伤、低周疲劳损伤和高周疲劳损伤的耦合疲劳寿命预测方法。同时,通过正交载荷解耦和耦合载荷协调加载控制等关键技术的应用,开发了高温环境下的高低周复合疲劳试验平台。最终,基于设计的涡轮叶片模拟件,完成了耦合疲劳寿命预测和试验验证。结果表明:模拟试件的耦合疲劳寿命试验结果分散系数为1.01,耦合疲劳寿命的预测结果与试验结果偏差小于24%,从而验证了疲劳寿命预测模型的正确性,为我国航空发动机热端部件的疲劳强度设计和验证提供了有效的技术途径。      

A novel compilation method of comprehensive mission spectrum of aero-engine maneuvering load based on use-related mission segment

Comprehensive Mission Spectrum (CMS) of an aero-engine can reflect the usage characteristics of the engine. It can provide load input for engine life prediction and accelerated mission test. In this paper, a novel compilation method of CMS of aero-engine maneuvering load based on mission segment is proposed. Firstly, the use-related Typical Mission Segment (TMS) of maneuvering load is divided and identified according to spectral characteristics. Secondly, the mathematical model of different kinds of TMS are established based on stochastic process theory. Finally, the CMS of maneuvering load is compiled based on TMS. The proposed method can accurately quantify the compilation of CMS. The compiled CMS shows good agreement with the original load spectrum. According to damage consistency inspection, the compiled CMS is consistent with the damage caused by the original load spectrum in terms of low cycle fatigue.     

均布载荷下变形受约束悬臂梁弹性大变形分析

建立了分析均布载荷作用下受约束悬臂粱的弹性大变形三阶段模型。模型的第1阶段为悬臂梁变形不受约束的阶段：第2阶段为悬臂梁自由端和其下面的约束相接触时的变形阶段，此时，在接触处有一支反力作用：第3阶段为悬臂梁和其下面的约束有一定接触范围时的变形阶段，此时在接触范围内，粱的挠度和转角是固定的。给出了各个阶段弹性大变形梁的边界条件，提出了各阶段求解梁弹性大变形的三重二分法。实例中，对于梁在各阶段的弹性大变形问题进行了分析计算，并和小变形理论的计算结果进行了比较。结果表明，在梁变形的第1阶段，小变形理论的相对误差随着初始间隙的增大而迅速增大；在梁变形的第2阶段，在给定的初始间隙范围内，小变形理论的相对误差变化不大；在梁变形的第3阶段，小变形理论的相对误差随着接触范围的增大也迅速增大。     

航空涡轮发动机主轴使用寿命实验研究

本文论述了航空涡轮发动机主轴损伤换算比的确定方法。根据线性累积疲劳损伤理论和S-N曲线,采用不同寿命主轴的剩余寿命对比试验,可获得飞行换算率A_p。预定安全标准循环寿命除以A_p,就可以获得发动机主轴的使用寿命(小时)。本文进一步介绍了在机动飞行和螺旋载荷掺合作用下目标寿命的确定方法。