关于航空发动机结构声疲劳寿命估算方法的探讨

噪声载荷是一种高频、宽带随机载荷,在低循环疲劳寿命预测中被广泛采用的时域计数法很难直接利用。根据现有的累积疲劳损伤理论,噪声载荷下结构疲劳寿命分析的关键在于如何在频域中获得雨流循环的概率密度函数。本文对从疲劳应力功率谱密度出发获得寿命估算所需要的应力峰值或应力雨流循环幅值的概率密度函数的方法进行了分析与比较,并对发动机结构声疲劳分析中值得深入研究及发展的方法给出了建议。      

某型飞机进气道结构声疲劳研究

飞机结构声疲劳问题是飞机型号研制中的一项技术关键，本文结合飞机进气道蒙皮鼓动、掉卿钉头等危及飞机安全的问题，系统地研制了飞机构声疲劳评估技术，包括习行噪声载荷实测、声疲劳载荷谱编制、结构件声Ｓ－Ｎ曲线测定、典型结构件声疲劳寿命试验，以及声疲疲劳寿命工程估算方法，形成了一种完整的分析与试验引结合的声疲劳寿命工程研究方法。     

飞机壁板结构的声疲劳计算及试验

 <正> 飞机结构所承受的噪声载荷声压级超过130dB时,经较长时间激励,往往在噪声诱导应力较大的区域里产生疲劳破坏。而在各种类型的结构件中声疲劳破坏的相对发生率以蒙皮壁板结构为最高。 本文采用矩形铝合金平板来模拟蒙皮壁板结构,对其进行了声疲劳寿命计算与试验研究.     

加筋板在热声载荷作用下随机疲劳寿命估算

薄壁结构在热声载荷作用下的应力响应对其疲劳寿命估算有着很大的影响.给出了热声载荷作用下加筋板结构的大挠度运动方程,运用有限元方法进行数值模拟,分别计算了四边简支薄壁板与加筋板在相同有限带宽高斯白噪声载荷和变化温度下的应力响应,得到了应力时间历程、应力概率密度分布和应力功率谱密度,利用改进的雨流计数法,结合线性累计损伤理论,采用Smith-Watson-Topper（SWT）平均应力模型估算了两种结构在热声载荷作用下的疲劳寿命,并进行了比较分析.     

声载荷作用下高温薄壁结构响应特性分析

先进的航空航天器表面结构暴露在严酷的工作载荷环境中,包括复杂的机械力载荷、压力载荷、声载荷和热载荷等,航空航天器表面结构可简化为薄壁结构,在复合载荷作用下结构以非线性方式响应,呈现出复杂的响应特性。首先以热弹性力学、板壳理论及结构稳定性原理为基础,建立热及噪声载荷联合作用下薄壁板运动模态方程,讨论了薄壁结构跳变响应的机理,进而运用等价线性化方法求解模态方程,在此基础上分析了热及噪声载荷对薄壁结构屈曲的影响,进而探讨了热及噪声载荷作用下薄壁结构的非线性响应统计特性。计算了四边简支高温钛合金薄板在声载荷下四个关键点处的均方应变,为进一步开展薄壁结构声疲劳寿命估算和强度设计奠定了基础。     

基于雨流计数法和功率谱密度法的随机声疲劳应用研究

针对燃烧室火焰筒结构中的声疲劳问题,研究了2种用于随机声载荷下结构疲劳寿命预估的有效方法。雨流计数法实时计数模型计数简单,直接对载荷时间历程进行计数,克服了以往计数模型的局限性;基于iMner线性理论,提出了基于功率谱密度法的随机声疲劳寿命预估方法,并建立了疲劳寿命预估模型。对某型航空发动机燃烧室火焰筒结构进行了疲劳寿命估算,结果表明2种方法对航空薄壁结构随机疲劳寿命分析具有实用性。     

热声载荷下薄壁板行波管疲劳分析与试验研究

高速飞行器薄壁结构在高速气流冲击下,产生的热载荷、声载荷、随机振动载荷会使结构产生非线性大绕度动力学响应和高周疲劳破坏。对3组一端固支GH188薄壁板开展行波管热声疲劳试验,研究了温度和声压级对薄壁板的响应及寿命的影响,得到在热声载荷下薄壁结构的频率和动应力响应以及可能产生破坏的危险位置和疲劳寿命。根据耦合的有限元/边界元法对薄壁结构的非线性响应进行数值仿真,采用改进的雨流计数法和Morrow平均应力模型预估结构的疲劳寿命,与试验结果对比:频率响应误差在1%以内,基频应力响应误差在1%～3%,寿命值在3倍左右,验证了热声疲劳寿命预估模型的有效性。随后分析了薄壁结构的热振特性,分析发现:在声载荷和随机振动载荷下,结果基频响应起主导作用,且变化趋势相似,当基频动应力水平相同且主要研究基频附近疲劳寿命时,可用热振试验代替热声试验;当频率较宽时,热振疲劳寿命明显低于热声疲劳寿命。     

飞机噪声技术研究——工程解决方法

 飞机噪声存在的3个问题：①机舱的噪声振动控制;②机场的噪声干扰;③某些部位的抗声疲劳设计。针对以上问题,综述了北京强度环境研究所进行过的飞行器噪声课题的研究工作,提出了大型飞机噪声问题的工程解决方法,包括：噪声载荷谱的确定;喷气噪声和客机机舱的噪声振动控制;声疲劳设计。研究了超声速喷流的相似准则,用热流缩比模型试验测定火箭的发射噪声载荷达到同样精度;对于飞机来说,实测比风洞测量更方便、更经济,实测气动噪声主要的困难是如何测量到真实的气动噪声,传声器的安装方法、飞行器表面的静压变化等;喷流噪声控制方法是冷空气缩比模型试验,介绍了冷空气缩比模型试验的原理和方法;论述了在结构的疲劳强度试验中必须采用统计分析方法的原理。从多方面论述了大型飞机噪声课题的研究,对于飞机的安全性、经济性、舒适性都是很重要的课题,对于发展中国大型飞机工程有很重要的现实意义。     

结构振动疲劳的工程分析方法

介绍了结构振动疲劳的概念；引入了结构在周期振动载荷和随机振动载荷作用下的振动疲劳曲线；提出了振动疲劳的线性和式累积损伤关系式以及振动疲劳的破坏判据；从工程角度给出飞机结构在随机振动载荷作用下的寿命分析方法，即利用正弦共振S-N曲线进行随机分析的方法以及借用声疲劳分析技术计算随机振动疲劳的方法等。     

热声载荷作用下薄壁结构的非线性响应特性

 高速飞行器面临着严酷的高温强噪声环境。温度载荷不仅使结构产生热应力,还会改变材料的物性参数,这使得薄壁结构在宽频噪声激励下具有复杂的运动形式,表现出强非线性特性,严重影响了结构的疲劳寿命。针对热声载荷对结构非线性特性的影响,建立了热声载荷下的非线性大挠度偏微分控制方程,对偏微分方程使用Galerkin法得到了模态坐标下的常微分方程组。计算了四边简支矩形钛合金板在不同温度和声压级(SPL)组合下的动态响应,得到了典型的热声响应运动形式,包括屈曲前的线性随机振动、屈曲后的跳变运动和围绕一个平衡位置的随机振动。通过分析方程中的恢复力项和响应的功率谱密度(PSD)随着温度和SPL的变化规律,对热声响应的非线性特性进行了研究。研究结果表明,热载荷和声载荷对响应非线性特性的影响方式不同:热载荷改变结构刚度特性曲线的形状,以临界屈曲状态的刚度为参照,屈曲前降低结构刚度,屈曲后增加结构刚度;噪声载荷使得结构工作在刚度曲线的不同区域,以不受载荷时的结构刚度为对照,强噪声载荷引起的持续跳变使得结构工作在硬化区域,间歇跳变时结构工作在软化区域。     

飞机结构声疲劳分析与抗声疲劳设计

本文应用一种快速分析方法计算了多种飞机典型结构件。用不同结构形状的结构响应频率确定声谱和声疲劳累积损伤率。用一种DSR(细节声额定值)系统确定声疲劳品质。文章最后叙述了飞机结构的抗声疲劳设计。     

裂纹扩展中名义压缩载荷部分的作用

 本文意图:从总体上揭示名义压缩载荷在裂纹扩展各阶段中的作用。文中以现有资料为基础,针对典型载荷情况,对循环载荷的名义压缩部分在裂纹起始、短裂纹和长裂纹扩展阶段中的作用进行了分析。在两处关键的地方补充做了新的试验工作。发现名义压缩载荷部分在裂纹扩展各阶段、各种载荷谱作用下,对疲劳寿命起着非常不同的作用。指出有效尾迹塑性区长度ι_o这个参数起着重要的作用。     

C-T曲线通用性分析和试验研究

提出了疲劳寿命预腐蚀影响系数曲线(C-T曲线)通用性分析的C值直接对比法和C-T曲线参数统计对比法,并进行相关试验研究,得到了C-T曲线和载荷谱、应力水平以及裂纹尺寸基本无关的结论。C-T曲线是进行腐蚀条件下飞机结构疲劳寿命评定和分析的基础,为验证分析C-T曲线和载荷谱、应力水平以及裂纹尺寸的相关性,从C的定义和分布规律出发,提出了C值直接对比法和C-T曲线参数统计对比法,近似谱、不同恒幅应力水平以及不同指定裂纹尺寸下的预腐蚀疲劳寿命数据均表明了C-T曲线基本具有通用性;并进行了某型飞机结构主梁模拟试件在随机谱及恒幅谱下的预腐蚀疲劳试验,试验结果同样验证了上述结论,从而说明了C-T曲线的通用性。     

用比值法计算材料及其机件的疲劳损伤

提出了在非对称循环加载下描述材料弹塑性材料行为的损伤演变速率方程式与各个历程与不同损伤量DCi相对应的寿命NCi估算式。其方法是采用以塑性应变幅同弹性应变幅之比值ΔEp／Δεe作为应力应变参量，以常用的材料常数作为材料参数。而且，还提出了与常用材料常数、平均应力与平均应变、加载临界历程长短有着函数关系的综合性材料常数的新概念。此外，以汽车的某一零件为例，计算了它的疲劳损伤。其计算结果与Landgraf方程式计算结果一致，且计算精度较高。这对避免过多而重复的疲劳试验，对方便工程应用，对节约人力、时间和资金有着实际意义。     

基于雨流计数法的随机声疲劳寿命估算方法研究

针对飞机结构中的声疲劳破坏问题,以雨流计数法的基本原理和计数规则为基础,研究了雨流计数法在Mallab语言中的具体实现方法并得到载荷谱,结合材料性能S-N曲线在Miner线性累积损伤理论准则下估算结构疲劳寿命.并以某航空薄壁柱壳结构为例进行疲劳寿命估算,取得了良好的效果,从而为结构的声疲劳寿命估算提供了一种可行的方法.     

某型发动机承力机匣疲劳载荷谱研究

以某型发动机承力机匣疲劳载荷谱编制为例，介绍了一种基于载荷剖面计算的航空发动机零部件疲劳载荷谱编制方法。为使编制出来的载荷谱易于应用，采用了一种压缩处理方法，以获得较少的等效循环矩阵。还分析了各个载荷矩阵之问的相位关系，得到了相应的相关矩阵。最终得到的承力机匣疲劳载荷谱为后续的强度与疲劳寿命分析及其试验谱的确定提供了依据。     

航空薄壁结构在噪声载荷作用下振动响应研究

研究薄壁结构在声载荷激励下的随机振动响应问题是进行结构声疲劳估算和设计的基础。从此问题出发,综述了国内外在结构声疲劳方面的研究情况,并对有关模态分析法、数值积分法、统计能量分析(SEA)法及有限元素法等研究方法进行了总结和评价,得到了各方法在计算薄壁结构受声激励时振动响应的各自应用范围。同时也指出了薄壁结构在声载荷作用下振动响应研究所面临的困难。     

强化参数及其标准差对元件疲劳寿命影响的研究

提出了一种处理钉孔挤压强化或干涉配合强化后元件疲劳寿命的可靠性分析方法。它可以由几组不同挤压量（干涉量）的元件疲劳寿命推算出元件在任意挤压量（干涉量）及公差要求情况下,其疲劳寿命提高到某一给定值的概率。从而可以分析不同工艺条件下,强化后元件疲劳寿命的分布情况。     

Statistical properties of fatigue damage of Gaussian random loadings

Firstly, the fatigue damages associated with the random loadings were always deemed as high-cycle or very-high-cycle fatigue problems, and based on Chebyshev theorem, the number of rainflow cycles in a given time interval could be recognized as a constant by neglecting its randomness. Secondly, the randomness of fatigue damage induced by the distribution of rainflow cycles was analyzed. According to central limit theorem, the fatigue damage could be assumed to follow Gaussian distribution, and the statistical parameters: mean and variance, were derived from Dirlik's solution. Finally, the proposed method was used to a simulate Gaussian random loading and the measured random loading from an aircraft. Comparisons with observed results were carried out extensively. In the first example, the relative errors of the proposed method are 2.29%, 3.52% and 1.16% for the mean, standard deviation and variation coefficient of fatigue damage, respectively. In the second example, these relative errors are 11.70%, 173.32% and 18.20%, and the larger errors are attributable to non-stationary state of the measured loading to some extent.