航空发动机轮盘寿命可靠性分析方法研究.pdf

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1、结构强度研究2015年第2期航空发动机轮盘寿命可靠性分析方法研究由于(中航工业飞机强度研究所三十二室，西安)摘要：本文采用了考虑体积影响的应力疲劳寿命可靠性分析方法和应变疲劳寿命可靠性分析方法对两种航空发动机轮盘进行疲劳寿命预测，并将其与试验结果进行对比。在此基础上，进行了两种疲劳寿命可靠性分析方法的适用性研究。研究结果表明，寿命预测精度严重依赖材料的寿命试验数据；应力概率寿命分析方法适用于预测中短疲劳寿命，但不能用于预测进入屈服程度较严重的结构件疲劳寿命；应变分析方法适用于预测中长疲劳寿命。关键词：体积影响；疲劳寿命可靠性；航空发动机轮盘；疲劳寿命预测；适用性研究法中，形成“等应力／应

2、变，等体积，则等寿命”的l引言“体方法”，势必将更加符合疲劳失效机理，能够反映失效体积越大，寿命越短的试验现象。唐俊航空发动机作为飞机的“心脏”，在航空技术星采用weibull串联系统理论：以标准光滑试的发展过程中起到了关键性的作用[1]。而轮盘作棒为例，将其沿轴向：r／等分，假设每一小块的失效为发动机的关键部件，其使用寿命直接影响着航概率相等，且相互独立。则可以得到整个系统的空发动机的安全性和可靠性。同时，轮盘作为大失效概率为：厂尺寸构件，传统的“点寿命”不能考虑体积的影响，Pr(r)一1～[1一Pr()](1)，f因而会产生较大误差。因此，建立考虑尺寸效应进而推导出每一小块的失效概率

3、为：的疲劳寿命分析体方法有助于提高结构的疲劳寿V命预测精度。陆山、张鸿等l_2提出了考虑尺寸效fPr()一1一[1一Pr(r)](2)应的应力疲劳寿命模型可靠性分析方法，即应力式中，，为标准光滑试棒等直段的总体积；V为体方法。唐俊星、陆山【3]提出了考虑体积影响的等直段等分后每一小块的体积；P，()为标应变疲劳寿命可靠性分析方法，即应变体方法。准光滑试棒等直段的失效概率；P，(V)为每一小本文拟分别采用应力体方法和应变体方法对块的失效概率。如果沿轴向非等分，可证明该结两种发动机轮盘进行疲劳寿命可靠性分析，并研论同样成立。其意义在于：在给定任意寿命条件究两种寿命分析方法的适用性。下，每一小

4、块体积的失效概率可以通过与该参量(应力或应变)状态相同的等直棒失效概率转换轮盘寿命预测方法得到。2．1结构件体积分级累积在结构件的寿命预测中，“点方法”往往以最式(2)计算复杂结构件寿命的失效概率时，每危险点处的应力(或者应变)作为损伤参量，这样一小子块内部的应力(应变幅和平均应力)场越均势必会导致寿命的分析结果偏于保守嘲。航空发匀，其预测精度就越高。如果单元内部应力(应变动机轮盘作为大尺寸构件，如果将体积影响加入和平均应力)梯度变化较大，则需要进一步对单元到“等应力／应变，等损伤”的“点准则”寿命分析方按应力(应变)分级进行体积统计。收稿日期：2O15一Ol一122015年第2期由于：

5、航空发动机轮盘寿命可靠性分析方法研究57仿照三维8节点线性元用节点位移插值单元分量，形函数为：1内部位移，文献[43用单元8个角节点的应力／应Ni一音(1+8)(1+)(1+)(5)变分量在局部坐标系下插值单元内任一点的应将全部子单元按应力(应变幅和平均应力)力／应变分量：n=8相等进行体积累加，即得到结构按应力／应变幅d=∑N(3)分等级的体积累积分布情况。一1n=82．2寿命可靠性分析流程图e一∑N(4)l=1基于应力和应变的考虑尺寸效应的寿命可靠式中，、e表示单元内部任一点的应力／应变性分析方法流程如图1、图2所示。标准光滑试棒构件有限元分析应变疲劳试验J．1L拟应合变应寿变命概比

6、为率．模1的型等应变体积累积J．蒙特卡洛模拟计算得到应变幅、平均平均应力修正的应变应力和体积分布寿命概率模型ll得到每一个相同损伤参量小块给定寿命的失效概率图1基于应力的寿命可靠性分析方法图2基于应变的寿命可靠性分析方法见式(6)。3算例2一2E+’(I2K)J“”㈤～本文通过对两个轮盘进行结构疲劳寿命可靠式中，循环强度系数K为1477．1MPa；循环应变性分析，研究了应力体方法和应变体方法的优缺硬化指数"为0．05697。点以及适用性。(4)应力寿命概率模型3．1FGH96轮盘根据FGH96材料寿命试验数据，拟合得3．1．1计算参数到FGH96光滑试棒550℃应力比R===一1和R一(

7、1)转速谱为200014500~2000r／min。0．05的峰值应力和概率寿命的瞳线公式分别为：lgN=一7．1O51gS~+25．27+e(7)(2)材料常数件表1。表1FGH96材料属性(550~C)式中，￡～N(O，)，一0．1169；lgN=一9．2541gS+32．97+77(8)式中，～N(0，)，一0．2365。(5)应变寿命概率模型根据文献I-6]]所给的FGH96盘轮缘55O℃、(3)循环应力一应变曲线R一一1低