[发明专利]一种涡轮叶片疲劳-蠕变损伤耦合概率寿命预测计算方法

说明书

本发明公开了一种涡轮叶片疲劳‑蠕变损伤耦合概率寿命预测计算方法，包括以下步骤：S1、收集涡轮叶片属性；S2、确定考核部位；S3、对涡轮叶片进行有限元仿真，得到涡轮叶片考核点应力应变信息；S4、计算疲劳损伤：通过低周疲劳寿命模型计算得到疲劳寿命和疲劳损伤信息；S5、计算蠕变损伤：通过蠕变寿命模型计算蠕变寿命和蠕变损伤信息；S6、计算总体损伤并进行寿命分布拟合；S7、基于累积损伤理论，结合多种工况寿命信息得到叶片最终概率寿命分布。本发明将涡轮叶片的材料性能、载荷历程、几何尺寸、预测模型误差等引起的不确定性因素用概率进行表征，运用概率寿命预测模型对涡轮叶片的寿命进行预测，能够提高涡轮叶片寿命预测的精度。

技术领域

本发明属于航空航天发动机技术领域，特别涉及一种涡轮叶片疲劳-蠕变损伤耦合概率寿命预测计算方法。

背景技术

涡轮叶片是航空发动机的重要组成部件，在高温、高压和高转速的复杂条件下工作，一旦发生破坏将导致严重的后果。由于涡轮叶片失效引起的航空发动机失效占航空发动机失效事件的70％以上，因此对涡轮叶片进行概率寿命预测具有重要意义。

涡轮叶片工作环境恶劣复杂，主要受到由高转速引起的离心载荷以及气动力、热应力等因素的作用。涡轮叶片的主要失效模式有低周疲劳断裂失效、高温蠕变失效、高周疲劳失效、微动疲劳和腐蚀断裂失效等。特别地，在高离心载荷和高温度载荷的作用下，涡轮叶片非常容易产生疲劳断裂和高温蠕变现象，随着飞行时间的增加，最后产生疲劳断裂失效和蠕变失效。

涡轮叶片工作过程中存在诸多不确定性。材料性能、载荷历程、几何尺寸、预测模型误差等引起的不确定性都会对涡轮叶片的寿命预测造成影响。有效量化并表征这些不确定性，能够更加精确地预测涡轮叶片的寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种将涡轮叶片的材料性能、载荷历程、几何尺寸、预测模型误差等引起不确定性因素用概率进行表征，运用概率寿命预测模型对涡轮叶片的寿命进行预测，能够提高涡轮叶片寿命预测的精度的涡轮叶片疲劳-蠕变损伤耦合概率寿命预测计算方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种涡轮叶片疲劳-蠕变损伤耦合概率寿命预测计算方法，包括以下步骤：

S1、收集涡轮叶片属性：对涡轮叶片铸造材料镍基高温合金K403的材料属性、模型参数属性以及涡轮叶片承受的载荷属性进行收集；

S2、确定考核部位：通过输入材料属性，对涡轮叶片进行有限元仿真分析，确定涡轮叶片的考核部位；

S3、进行仿真分析：基于不同条件的工况，对转速进行拉丁超立方抽样，得到转速信息，进而对涡轮叶片进行有限元仿真，得到涡轮叶片考核点应力应变信息；

S4、计算疲劳损伤：通过低周疲劳寿命模型计算得到疲劳寿命和疲劳损伤信息；

S5、计算蠕变损伤：通过蠕变寿命模型计算蠕变寿命和蠕变损伤信息；

S6、计算总体损伤并进行寿命分布拟合：基于线性累计损伤理论，得到单一工况下单次循环内疲劳-蠕变耦合的总损伤信息和寿命信息；

S7、基于累积损伤理论，结合多种工况寿命信息得到叶片最终概率寿命分布。

进一步地，所述步骤S4具体实现方法为：选用Manson-Coffin公式进行计算得到疲劳寿命和疲劳损伤信息；

Manson-Coffin公式表达式如式(1)所示：

通过式(1)计算得到疲劳寿命信息N_f，进一步地根据式(2)计算得到单次循环疲劳损伤D_f：