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。     

双参数循环计数法及其简化原则

 载荷谱的编制是确定飞机结构疲劳寿命的重要一环,而计数法的选择和简化原则的确定又是编制歼击机使用载荷谱的两个突出问题。 七十年代初,荷兰宇航实验室提出了NLR法。这种方法从计数原理上看与应力应变迟滞回线一致,能真实地反映飞机所受的疲劳载荷,从简化原则上看,则是常均值简化原则。在此法基础上,我们提出了变均值和双波法简化原则。 本文通过实测和大量调研,给出了歼击机50飞行小时典型随机载荷历程,以此作为原始依据,用两种计数法和四种简化原则进行了载荷谱计算和相应的寿命估算。并且用六种不同的载荷谱做了成组对比试验,得到了令人满意的结果,验证了我们的理论分析,为今后歼击机载荷谱的编制在计数法和简化原则方面提供了依据。     

基于平均扩展速率的裂纹扩展模型

不同于基于线弹性断裂力学（LEFM）的经典裂纹扩展模型,基于平均扩展速率的裂纹扩展模型通过形式简单的经验公式来描述随机载荷谱下单位飞行小时的平均裂纹扩展,该模型将随机谱当作"当量常幅谱"处理,模型中仅有两个特征参数,反映了所有复杂的载荷顺序效应及其他影响。基于该模型,进一步提出速率类比法则,可基于试验谱下扩展速率对未试验谱下扩展速率进行合理预测。首先介绍了基于Frost&Dugdale公式和基于Paris公式的平均扩展速率模型的内涵及参数推导方法,然后通过典型机身框关键部位模拟件在多种随机谱下的疲劳试验数据对平均扩展速率模型和速率类比法则进行试验验证。经对比分析,推荐使用基于Paris公式的平均扩展速率模型。经验证,采用基于Paris公式的模型和速率类比法则,可实现随机载荷谱下裂纹扩展速率和寿命的高精度预测。同时,速率类比法则的准确度与理论参数推导时选取的经典LEFM模型有关。平均扩展速率模型和速率类比法则为外场飞机单机寿命监控提供了一种可靠的疲劳寿命预测方法。     

基于频率雨流计数法的发动机振动疲劳载荷谱编制

传统雨流计数法适用于常规疲劳载荷计算,不能保留振动疲劳的频率信息,但是频率对于振动疲劳十分重要,因此在传统雨流计数法的基础上提出一种频率雨流计数法。以某型号发动机试车振动加速信号为例,采用振动疲劳载荷谱的编制方法,编制振动信号功率谱、载荷 - 频次载荷谱、振动疲劳载荷谱,对频率雨流计数法进行验证。结果表明:采用本文方法编制的载荷谱能够反映发动机实际工作载荷,满足实验室疲劳试验载荷谱要求。     

基于应力分布模型的随机疲劳加速试验设计

将两段式S-N曲线应用于Dirlik随机振动疲劳寿命预测模型,分段计算各自的疲劳损伤并进行叠加。基于该模型所模拟的应力幅值分布,推导了在两段式S-N曲线的情况下激励放大倍数同疲劳寿命之间的等效关系,并提出了基于该等效关系的加速试验寿命换算方法,为加速试验应力等级的确定提供了参考。针对随机振动中小应力幅占比较大的情况,该方法优化了这一部分的损伤计算方式,同时该方法还可以推广至超高周疲劳等需要使用多段式S-N曲线表达疲劳性能的情况中去,得到更加贴近实际的理论疲劳寿命与加速寿命间的等效关系。通过分析算例表明,在两段式S-N曲线下,应力与寿命也大体呈现出了两段式的对数线性关系,并使用文献中的试验数据进行了验证。     

基于飞行科目统计分析的严重谱编制方法

我国飞机的疲劳试验绝大多数采用均值谱,具有疲劳周期较长的缺陷,若采用载荷严重谱则可以大大缩短试验时间。为满足全机试验疲劳寿命评估的需要,响应国内外飞机强度规范的要求,以国内某教练机的起落数据为基础,将任务分析法与统计思想相结合,建立基于飞行科目统计分析的严重谱编制方法,整理和完善编谱流程,编制得到各飞行科目包含加权中值载荷谱,一倍标准差谱,两倍标准差谱,90%存活概率95%置信度的严重谱,以及所有科目的总严重谱。通过K-S检验方法验证了载荷损伤分布的合理性,并根据当量损伤计算的统计结果给出严重谱代表起落的选取方法。结果表明:此严重谱编制方法合理有效,得到的编谱结果符合严重谱特征,选出的代表起落能够代表各飞行科目不同严重程度的使用情况。     

运输机随机载荷谱的简化和浓缩

以１００次飞行为基础编出的随机谱的数据仅需以１０００次飞行为基础编出谱的１／１０,但裂纹扩展试验寿命相差不到１０％。浓缩谱,只含少数循环,数据比以１００次飞行为基础编出的随机谱少９０％以上,但是,无论是这两种谱的裂纹扩展试验寿命,还是计算寿命,相差都不超过１５％。     

寿命系数定寿的原理和方法

通过对疲劳载荷谱损伤值的研究,发现金属材料的疲劳寿命与疲劳试验载荷谱损伤值成线性关系,即金属材料的疲劳寿命随疲劳试验载荷谱的轻重成线性关系。由此规律推导出寿命系数,通过寿命系数可以降低全尺构件的疲劳试验时间。根据已有的疲劳试验数据研究的寿命系数值显示,在平均谱(疲劳损伤值为50%)基础上加重至58.33%损伤谱可降低全尺寸疲劳试验时间11%,75%损伤谱可降低36%,91.5%损伤谱可降低51%。由此得出:为了减少全尺疲劳试验时间,可以用加重载荷谱进行全尺寸疲劳试验,获得重谱下的寿命,再利用样件的寿命系数将其还原到平均谱下的平均寿命,然后用规范规定的疲劳分散系数除以平均寿命,给出使用寿命。这样既实现了减少疲劳试验时间的目的,又不违背规范规定的疲劳分散数值,使飞机定寿既经济又可靠。     

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。     

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.      

SIMPLIFYING AND CONDENSING A SET OF RANDOM SPECTRA FOR TRANSPORT

ＳＩＭＰＬＩＦＹＩＮＧＡＮＤＣＯＮＤＥＮＳＩＮＧＡＳＥＴＯＦＲＡＮＤＯＭＳＰＥＣＴＲＡＦＯＲＴＲＡＮＳＰＯＲＴＺｈａｎｇＢａｏｆａ；ＦｕＸｉａｎｇｊｉｏｎｇ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｔｒｅｎｇｔｈ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵ...     

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。     

疲劳开裂结构等效分析谱构造方法

为了解决外场疲劳裂纹排故中结构疲劳载荷谱数据不全或过于复杂的问题,提出了一种适用于飞机外场疲劳开裂结构的等效分析谱构造方法。该方法以细节疲劳额定值(DFR)法和结构细节有限元分析为基础,构建地—空—地最大应力与结构疲劳寿命的变化曲线,进而通过寿命反推,获取适用的地—空—地损伤比,以此构建等效分析谱,谱型为等幅谱。通过应用实例,将该方法构造的载荷谱与实测谱进行了对比,确认了该方法的正确性和有效性。     

程序载荷下疲劳可靠性分析的损伤等效递推方法

以载荷循环数－疲劳寿命干涉模型为基础,分析了程序载荷（包括随机载荷历程）作用下的疲劳可靠性问题的特点及计算方法。通过对疲劳失效过程的分析,针对复杂载荷下疲劳问题的物理本质,提出了一个以损伤等效原则转换不同载荷水平的当量循环数的可靠性递推方法,并进行了试验验证。     

结构和载荷谱分散性分离的疲劳寿命可靠性

机群疲劳寿命的分散包含了结构和载荷谱的分散性,为进行安全寿命的精细分析,将结构和载荷谱的分散性进行了分离。假定指定载荷谱下的疲劳寿命和指定结构下载荷谱分散均用对数正态分布描述,按条件概率模型推导得到了将载荷谱和结构分散性综合后的机群结构疲劳寿命的精确分布,其数学期望与指定结构下考虑载荷谱分散的数学期望相同,方差为载荷谱和结构分散的方差和。从而可以采用反映载荷严重使用情况的载荷谱和仅考虑结构分散性的小分散系数确定结构的安全寿命,并讨论了给定的可靠度指标下,严重谱的严重程度要求以及给定的严重谱下的结构寿命可靠度。     

用等效平均损伤模型计算剩余寿命方法的研究

分析了复杂载荷下材料的损伤累积过程和疲劳寿命计自身材料疲劳损伤与其不可逆电阻变化响应的联系。疲劳寿命计自身材料疲劳损伤演变、损伤累积过程以电阻变化速率和变化量显示了其全貌。假设其等效平均损伤等一般规律与金属材料的疲劳情况相类似,结合本文给出拟合精度很好的材料应力寿命曲线,得出随机载荷下剩余寿命计算的简便方法,具有较高可信度。初步实验验证很令人满意。     

LY12CZ铝合金腐蚀疲劳影响系数（CFIC）规律研究

文章利用预腐蚀后的LY12CZ试件,进行了随机谱和等幅谱加载的疲劳及腐蚀疲劳试验,分析了预腐蚀年限和载荷谱对腐蚀疲劳影响系数的影响。试验结果表明：①腐蚀疲劳影响系数与预腐蚀年限呈递增趋势且当预腐蚀到一定程度时腐蚀疲劳影响系数趋近于1,这意味着在飞机日历寿命的中后期可以不考虑腐蚀疲劳的作用;②腐蚀疲劳影响系数与载荷谱呈现...     

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.     

飞机疲劳载荷谱代表起落选取方法研究

 飞机中值载荷谱编制用100个左右实测飞行起落小子样反映机队飞机使用情况,用结构当量寿命子样中值作为代表起落选取指标,用实测飞行小子样作为任务剖面代表起落选取基准。本文提出在用实测飞行准确测量结构飞行载荷的基础上,用累积损伤子样平均值作为选取代表起落的指标,用机队飞机外场实际使用飞行数据大子样作为代表起落选取的基准。分析和对比实验结果都表明,用本文方法选取代表起落编制的飞机疲劳载荷谱能真实反映机队飞机的平均使用情况。     

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。