[發明專利]一種基于等效疲勞壽命的壓氣機葉片加速壽命試驗方法

在審

• 申請號: 202010185872.5
• 申請日: 2020-03-17
• 公開（公告）號: CN111382544A
• 公開（公告）日: 2020-07-07
• 發明（設計）人: 姚澤民;黃首清;劉守文;秦泰春;郭佳誠;吳儒亮;王鵬飛;陳卓;郭知昊;馬楷鑌
• 申請（專利權）人: 北京衛星環境工程研究所
• 主分類號: G06F30/27
• 分類號: G06F30/27;G06F30/17;G06F119/14
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于等效疲勞壽命的壓氣機葉片加速壽命試驗方法，包括如下步驟：

A)、建立壓氣機葉片的幾何模型和有限元模型，計算葉片在離心載荷下的應力響應；

由于離心載荷只與轉速有關，屬于靜態載荷，因此其應力響應為恒幅應力；

B)、計算葉片在氣動載荷部分下的應力響應；

氣動載荷一方面是與葉片上下游壓差有關的靜態部分，另一方面是與氣流周向不均勻性有關周期性變化的動態部分，因此氣動載荷下應力響應為平均應力不為零的非對稱循環應力；

C)、將離心載荷和氣動載荷共同作用下的應力響應進行線性疊加，得到非對稱循環應力；

考慮到葉片可承受的載荷循環周次比較高，最大循環應力應明顯小于材料的屈服應力，材料始終處于彈性階段；因此可將離心載荷和氣動載荷共同作用下的應力響應進行線性疊加，即也為非對稱循環應力；

D)、從等效疲勞損傷的角度，根據平均應力修正方程Gerber，將非對稱循環應力修正為等疲勞壽命的對稱循環應力；

振動載荷下的應力響應一般為對稱循環應力，必須找到平均應力不為零的循環應力與對稱循環應力的等效關系，才可能實現載荷的等效；

其中Gerber平均應力修正方程：

其中，σ_a為非對稱循環應力的幅值，σ_N(-1)為等疲勞壽命的對稱循環應力，σ_m為非對稱循環應力的平均應力，σ_u為抗拉強度；

E)、根據修正后的對稱循環應力的頻率和幅值，確定等效后的振動載荷的頻率和幅值；

等效的振動載荷頻率f_V、修正后的對稱循環應力的頻率f_S、氣動載荷周期性波動的頻率f_A和最大轉速頻率f_R(轉/秒)有如下關系：

f_V＝f_S＝f_A＝kf_R k＝1,2,3… (2)

根據修正后的對稱循環應力的頻率和幅值，利用有限元方法計算試驗中葉片的應力響應幅值與振動載荷加速度幅值之間的關系，進一步得到葉片的振動試驗加速度量級；

F)、獲取葉片加速壽命試驗中的加速因子

發動機內部的壓氣機葉片，其在最大轉速工況往往承受著最嚴酷的離心載荷、氣動載荷、噪聲載荷、溫度載荷，而在轉速為0時可認為葉片不承擔載荷；這樣在壽命試驗中，可只模擬最大轉速工況時葉片承受的載荷；當某些任務中最大轉速頻率f_R或其整數倍kf_R剛好接近葉片諧振頻率f_i時，即：

kf_R≈f_i k＝1,2,3… (3)

根據式(3)，等效的振動載荷頻率f_V接近葉片諧振頻率f_i，即：

f_V≈f_i (4)

這種情況葉片處于共振狀態，對應的壽命試驗處于加速狀態，但這種情況是有一定概率的；加速壽命試驗時長L_S與正常的壽命試驗時長L_N的關系可根據最大轉速頻率f_R或其整數倍kf_R剛好接近葉片諧振頻率f_i的概率β進行折算；即

L_S＝βL_N＝αβL_F (5)

進一步變換為：

這里，

β＝P[|kf_R-f_i|/f_i≤θ] k＝1,2,3… (7)

為加速壽命試驗的加速因子，P[]為取概率函數，θ為允差；

G)、基于等效疲勞壽命計算得到的振動試驗幅值和頻率，結合加速試驗因子，設計試驗條件，進行試驗；

試驗過程中，測量葉片上相應位置點的幅值和頻率，觀察振動試驗過程中的頻率變化情況，并記錄每一次循環中葉片的響應頻率與初始值的誤差百分比；

H)、進行葉片的加速壽命試驗的試驗結果分析；

葉片的加速壽命試驗失效判據為，葉片振動響應頻率相對初始值下降0.5％則認為疲勞裂紋萌生，葉片失效；葉片疲勞壽命循環次數上限為10⁷,若試驗件超出這一上限而未破壞，則試驗停止，可認為該試驗件達到了無限疲勞壽命。