[发明专利]一种航空发动机涡轮叶片的高低周复合疲劳寿命预测方法

说明书

本发明公开了一种航空发动机涡轮叶片的高低周复合疲劳寿命预测方法，包括：基于线性累积损伤模型，将复合疲劳损伤修正为高周疲劳损伤、低周疲劳损伤及耦合损伤；基于航空发动机的服役载荷特征，将高周损伤和耦合损伤定义为变量损伤；根据高低周复合试验载荷谱，确定变量损伤为高周疲劳寿命和四个特征参量的函数，得到变量损伤的表达式，引入等效应力幅值比，建立高低周复合疲劳寿命预测模型，并预测其复合疲劳寿命。本发明方法可快速预航空发动机测涡轮叶片在复合加载条件下的疲劳寿命，为金属材料和涡轮叶片的可靠性设计和评估提供理论参考。

技术领域

本发明涉及航空发动机的涡轮叶片疲劳预测，特别涉及一种在高低周复合载荷下航空发动机涡轮叶片的部件疲劳寿命预测方法。

背景技术

航空发动机的涡轮叶片在工作中，疲劳相关的失效模式占涡轮叶片总体失效的一半左右。疲劳失效严重威胁到飞行安全。目前，对于航空发动机涡轮叶片的疲劳失效，大多集中在纯低周疲劳和纯高周疲劳领域。但在实际服役中，涡轮叶片同时受到低频高幅值的离心载荷和叠加在上面的高频低幅值的振动载荷。其中，高幅值的离心载荷导致低周疲劳失效，低幅值的振动载荷由于远小于涡轮叶片的疲劳极限，振动载荷导致高周疲劳失效。因此，涡轮叶片的疲劳失效应为在低周载荷峰值的基础上叠加高周载荷而导致的高低周复合疲劳失效。在各类航空发动机涡轮叶片的寿命研究的过程中，为反映叶片在实际服役载荷中的损伤过程以及更准确地预测叶片的寿命，考虑叶片在高低周复合疲劳载荷的作用就显得尤为必要。

在工程中常用Miner法则来预估高低周复合疲劳的寿命，该方法过多的考虑了载荷的损伤作用，忽略了高周循环载荷和低周循环载荷之间的交互作用，及载荷间耦合产生的耦合损伤。因此，该方法的预测结果相比高低周复合疲劳试验下的结果偏于危险。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种预测材料和涡轮叶片部件在高低周复合疲劳载荷下的寿命预测方法，解决了目前不能较为准确预测材料和涡轮叶片在高低周复合载荷下的寿命估算问题。在寿命估算过程中，充分考虑了高-低周载荷间的耦合损伤和交互作用。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种航空发动机涡轮叶片的高低周复合疲劳寿命预测方法，具体包括如下步骤：

步骤1，将高低周复合疲劳线性累积损伤模型引入发动机涡轮叶片高低周复合疲劳的寿命预测；

步骤2，根据高低周复合疲劳的失效机理，结合高低周复合疲劳试验载荷谱，将复合疲劳损伤修正为高周疲劳损伤D_H、低周疲劳损伤D_L及耦合损伤D_C三部分之和；

步骤3，在已知发动机的转速时，低周疲劳寿命为常数，高周振动载荷产生的高周疲劳损伤和耦合损伤为变量，将高周损伤和耦合损伤定义为变量损伤D_V；

步骤4，根据高低周复合试验载荷谱的高周应力幅值σ_H、低周应力幅值σ_L、高周载荷频率f_H和低周载荷频率f_L四个特征参量，变量损伤是高周疲劳寿命N_HCF和四个特征参量的函数，变量损伤为F(N_HCF,σ_H,σ_L,f_H,f_L)；根据复合损伤与变量损伤的关系，得到变量损伤的表达式；

步骤5，考虑载荷间的交互作用，引入最大应力，得到等效应力幅值比，高低周复合载荷下的复合寿命。

进一步，步骤1中，所述高低周复合疲劳线性累积损伤模型为Miner法则。

进一步，步骤1中，所述高低周复合疲劳的线性累积损伤模型为：