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。      

限带白噪声过程雨流幅值分布

为了在频域内解决限带白噪声载荷作用下结构的疲劳寿命估算问题,提出了限带白噪声过程的雨流幅值分布模型,并给出了参数估算方法。假设雨流幅值可以用双参数Weibull分布来描述,形状参数与带宽系数呈线性关系;尺度参数与均方根呈比例关系;比例因子与不规则因子呈线性关系。数值模拟结果表明：Weibull分布能够很好地描述限带白噪声过程的雨流幅值分布,分布参数能够根据随机过程的谱参数计算得出。     

随机谱下裂纹扩展统计模型

结合断裂力学及概率随机过程理论,应用概率断裂力学方法研究随机谱下裂纹扩展的随机性。提出一种裂纹扩展统计模型预测裂纹随机扩展的统计分布特性。预测结果与大子样随机谱下裂纹扩展试验结果吻合良好。     

雨流-回线法及二维疲劳载荷分布假设检验

提出对实测载荷谱进行计数处理的雨流-回线法,使用该法能够简便地将实测载荷谱分离出独立的完整应力循环 ;并提出了二维疲劳载荷分布假设检验及其参数估计方法。最后,给出了应用实例     

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。     

多轴随机载荷下的疲劳寿命估算方法

提出了一种多轴随机载荷下的疲劳寿命预测方法.通过雨流计数法对各平面上的剪应变进行循环计数,以统计出的剪应变循环作为多轴疲劳损伤的主要控制参数,将各剪应变循环历程内对应的最大正应力和正应变变程作为多轴疲劳损伤的第二控制参数.根据多轴疲劳寿命模型计算出各平面上的损伤,以最大损伤平面作为多轴随机疲劳的临界平面,通过该临界平面上的损伤计算出多轴随机载荷下的疲劳寿命.采用SNCM630钢,304不锈钢和S45C钢3种金属材料的多轴随机疲劳试验数据对提出的寿命预测方法进行评估和验证.结果表明:疲劳寿命预测结果大都分布在试验结果的2倍分散带之内.     

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。     

双峰应力谱密度雨流幅值分布

为了在频域内解决双峰应力谱密度下的结构疲劳寿命估算问题,提出了双峰应力谱的雨流幅值分布模型,并给出了参数估算方法。假设雨流幅值分布为两个双参数Weibull分布的组合,权重系数反映了两个谱密度峰值对雨流幅值分布的贡献;雨流幅值分布模型中的参数均是随机过程谱参数的函数。数值模拟结果表明：两个Weibull分布的组合能够很好地描述双峰应力谱的雨流幅值分布,模型中的参数能够根据双峰应力谱密度的谱参数计算得出。     

发动机机动飞行类综合载荷谱研究

按照疲劳、蠕变以及热冲击损伤等效的原则 ,保证实测飞行载荷谱和综合载荷谱主要循环数、各功率状态持续时间以及主要功率状态的变化顺序相同 ,推导了某发动机机动飞行类综合载荷谱 ,为编制该发动机的加速任务试车谱提供了依据。首先根据空测结果对机动飞行任务剖面进行分类和飞行任务段的识别 ,然后统计发动机功率或转速的雨流计数循环以及各载荷状态持续的时间 ,并分析次循环对发动机造成的损伤情况 ,以决定取舍。将各机动飞行任务的同类任务段和同类载荷循环乘以任务混频后进行加权平均即得到机动飞行类综合载荷谱。最后根据发动机的高度—速度特性计算出发动机的工作参数谱     

ESTIMATION OF FATIGUE LIFE UNDER RANDOM LOADING WITH PLASTIC HYSTERESIS ENERGY THEOREM

ＥＳＴＩＭＡＴＩＯＮＯＦＦＡＴＩＧＵＥＬＩＦＥＵＮＤＥＲＲＡＮＤＯＭＬＯＡＤＩＮＧＷＩＴＨＰＬＡＳＴＩＣＨＹＳＴＥＲＥＳＩＳＥＮＥＲＧＹＴＨＥＯＲＥＭＷｕＦｕｍｉｎ（ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ＇ａｎ，...     

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。     

轮盘低周疲劳寿命的可靠性研究

利用R.W.Landgraf的低周疲劳寿命公式, 建立累积损伤的低周疲劳寿命的失效方程, 以此方程为基础利用H-L方法求其可靠度。推导了在非线性的弹塑性状况下的随机有限元法, 从而使低周疲劳寿命可靠性得以计算。      

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.      

单轴非线性连续疲劳损伤累积模型的研究

首先在连续疲劳损伤理论的基础上,根据疲劳损伤过程中金属材料韧性的变化特点,建立一种新的非线性疲劳损伤累积模型。该模型考虑了疲劳极限、平均应力以及损伤参量与加载参数的不可分离的特点,并且能够反映出加载顺序的影响。然后推导出该疲劳损伤累积模型在多级加载下的递推公式。经３种金属材料的疲劳试验数据验证结果表明,用该模型预测疲劳寿命,其结果令人满意的。     

液压管路系统随机振动下疲劳分析

民用飞机液压管路系统受到飞机振动环境的影响,可能产生振动引发的管路及安装结构疲劳破坏。为了分析液压管路系统在飞机振动环境下的承受能力,参考RTCA/DO-160G中对于固定翼飞机振动环境的定义及要求,对某民用飞机液压管路进行振动模态和随机振动响应分析。通过有限元分析得出了液压管路及安装结构的随机振动Von Mises均方根应力,采用基于高斯分布和Miner线性累计损伤定律的三区间法,计算管路系统的随机振动疲劳损伤,得到了疲劳薄弱部位及疲劳分析结果,为民用飞机液压管路在随机振动环境下的疲劳分析提供参考。     

考虑应力松弛的单晶涡轮叶片蠕变疲劳寿命预测

建立了民用航空发动机单晶涡轮叶片考虑应力松弛的蠕变疲劳寿命预测方法,该方法在热弹性蠕变有限元计算基础上,综合单轴等应变松弛模型及多轴应力修正因子预测全寿命周期内的应力松弛历程,应力下限取为一次应力.利用综合时间硬化隐式蠕变方程描述蠕变变形,结合损伤雨流计数法及Morrow方程计算疲劳损伤,基于Robinson法则的分段损伤线性累积方法计算全寿命周期内的蠕变损伤,总损伤达到临界损伤时获得蠕变疲劳寿命.通过对公开的单晶材料蠕变疲劳数据的分析,临界损伤定为0.5.结果显示,考虑应力松弛的蠕变疲劳寿命是不考虑应力松弛的45.6倍.为保证可靠性而兼顾经济性,叶片寿命预测时,可先有限元循环加载n个循环,再利用所提出的方法预测2n个循环内的应力松弛历程.      

基于塑性应变能的中低周疲劳概率寿命模型

由于材料、尺寸以及载荷等的分散性,涡轮盘疲劳寿命存在较大的分散性。在充分考虑材料加卸载应力、应变及应力比对疲劳寿命影响的基础上,提出了一种适用于中低周疲劳的塑性应变能概率寿命模型。该模型在考虑材料、尺寸和载荷等导致寿命分散的因素的基础上,重点考虑了循环应力应变曲线的分散性,结合根据应力比的二次插值,获得了插值范围内任意应力比下的塑性应变能损伤参量与疲劳寿命的关系。运用所提概率寿命模型结合响应面法与蒙特卡洛法对某涡轮盘螺栓孔模拟试件进行了概率寿命分析。结果显示,模拟试件的计算结果与试验结果的中位寿命仅相差022%,寿命分散系数相差581%,说明本概率寿命模型概率寿命预估精度高。      

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。     

关于雨流计数法的讨论及修正

在疲劳载荷的统计处理中,雨流计数法一直被认为是比较合理的循环计数方法,在国内外得到了广泛应用。本文结合对应力-应变响应的研究指出了它的不足,提出了修正雨流计数法。此外,对于现有的两种利用有效系数模拟应力-应变响应的方法也进行了讨论,并提出了修正有效系数法。     

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.