[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
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本發明公開了一種基于等效疲勞壽命的壓氣機葉片加速壽命試驗方法，A)、計算葉片在離心載荷下的應力響應；B)、計算葉片在氣動載荷部分下的應力響應；C)、離心載荷和氣動載荷共同作用下的應力響應線性疊加，得到非對稱循環應力；D)、將非對稱循環應力修正為等疲勞壽命的對稱循環應力；E)、確定等效后的振動載荷的頻率和幅值；F)、獲取葉片加速壽命試驗中的加速因子；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，進行試驗；H)、結果分析。本發明中，將葉片工作過程中復雜的離心載荷和氣動載荷轉化為能夠在實驗室振動臺上實施的振動載荷，并在該載荷下，進行加速試驗，達到快速確定葉片疲勞壽命的目的。

技術領域

本發明涉及航空發動機機械設備技術領域，尤其涉及一種基于等效疲勞壽命的壓氣機葉片加速壽命試驗方法。

背景技術

壓氣機葉片是航空發動機的重要部件，直接影響航空發動機的可靠性和壽命。隨著發動機轉速和推重比的不斷提高，葉片的服役環境愈發惡劣，導致更容易發生疲勞破壞，因此開展葉片的壽命試驗很有必要。準確的模擬葉片承擔的載荷是保證壽命試驗結果準確的關鍵，但是實際中壓氣機葉片處于較高量級的離心載荷、氣動載荷等綜合載荷環境，給試驗設備提出了很高要求，并且開銷巨大。另一方面，完全根據葉片實際載荷量級、時序、頻次，包括很多低量級載荷、遠離葉片固有頻率的載荷等，確定試驗條件開展1:1時長的壽命試驗也會讓試驗時長變得不可接受。因此，開展加速壽命試驗是解決這一難題的途徑之一，這涉及到如何選取可能導致葉片疲勞損傷的工況(例如啟動階段的葉片共振工況)，以及如何對離心載荷、氣動載荷等復雜綜合載荷進行簡化和等效，使試驗易于進行，并可在較短時間內完成。另外，壓氣機葉片在強噪聲環境下的疲勞損傷也逐漸被重視，越來越多的研究也指出高強噪聲是航空發動機壓氣機葉片失效的重要因素之一。因此，在壽命試驗中也有必要模擬葉片承擔的高強噪聲載荷以進一步確保試驗結果合理可信。

發明內容

本發明的目的在于：為了解決壓氣機葉片在氣動、離心等綜合載荷下的疲勞壽命問題，而提出的一種基于等效疲勞壽命的壓氣機葉片加速壽命試驗方法。

為了實現上述目的，本發明采用了如下技術方案：

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；