[发明专利]一种航空发动机轮盘疲劳寿命非局部概率设计方法

摘要

本发明公开了一种航空发动机轮盘疲劳寿命非局部概率设计方法，该方法首先对轮盘进行应力/应变分析；然后进行轮盘不同部位材料疲劳试验，建立概率寿命模型，并利用材料微观参量进行修正；针对轮盘应力集中部位，设计结构模拟件并进行试验，研究几何尺寸效应和统计尺寸效应对疲劳寿命的影响，并给出概率分析结果；最后对轮盘进行区块划分，采用非局部概率寿命分析方法对各区块开展疲劳寿命概率分析，给出对轮盘疲劳失效影响最大的局部结构，然后进行后续的针对性的优化设计。本发明同时考虑了轮盘局部应力集中和材料体积差异对疲劳寿命的影响；通过对轮盘进行区块划分体现轮盘部位不同材料组织性能的差异，实现了对轮盘全面精确的寿命可靠性评估。

主权项

1.一种航空发动机轮盘疲劳寿命非局部概率设计方法，其特征在于：实现步骤如下：步骤(1)、轮盘不同部位材料疲劳试验与微观参数统计分析：首先对轮盘进行有限元分析，将轮盘的材料属性和确定性载荷输入，进行轮盘结构的详细三维应力、应变分析，得到轮盘结构的应变、应力、位移的分析结果；然后，针对轮盘结构的可能发生疲劳失效的危险部位，设计标准试样并自轮盘盘坯不同部位取样，通过开展试样对应的轮盘载荷条件下的疲劳试验，获取不同部位的疲劳性能曲线；通过金相组织分析、扫描电镜(SEM)观察手段，获取轮盘不同部位的微观参量，然后对比轮盘不同部位不同微观参量与材料疲劳寿命之间的相关性，筛选得到与疲劳寿命相关性较高的微观参量；步骤(2)、概率寿命模型建模：基于轮盘不同部位取样的标准试样疲劳试验数据，通过对寿命模型中的材料参数的分布进行假设，或者假设输入载荷参数和寿命的分布类型并将试验数据作为整体进行分析，实现寿命模型的概率化，从而建立相应的概率寿命模型；然后基于微观参量相关性分析结果，结合微观参量对材料疲劳寿命的影响机理，通过引入微观参量，对概率寿命模型进行合理的修正，保证寿命模型确定性预测结果精度得到一定的提高，能够更准确地反映轮盘不同部位材料的微观参量对疲劳寿命的影响；步骤(3)、轮盘结构模拟件设计及疲劳试验：针对实际轮盘结构中存在的螺栓孔、通气孔、封严蓖齿这些易产生应力集中的部位，设计多层次的结构模拟件并开展疲劳试验；模拟件的尺寸应当与轮盘实际结构相同，或者设计多个尺寸比例的模拟件，以得到准确的疲劳寿命变化趋势，用于研究材料体积效应的影响；模拟件的结构应当参考轮盘应力集中部位的几何特征，在加载对应的载荷和温度之后，模拟件的应力分布特点应当和轮盘相应应力集中部位接近，以得到准确的疲劳寿命；通过对轮盘应力集中部位的疲劳寿命进行试验评估，考虑不同应力梯度状况和材料体积对应力分布的影响，得到应力集中部位的疲劳寿命；步骤(4)、非局部概率寿命分析方法建模：基于材料的标准件试验和结构模拟件试验数据，结合非局部疲劳寿命评估方法，建立相应的非局部概率寿命模型；在非局部概率寿命模型的基础上，研究几何尺寸效应和统计尺寸效应对疲劳寿命的影响，并且给出疲劳寿命的概率分析结果；当非局部概率寿命模型给出的分散性与试验数据的实际分散明显不同时，说明概率寿命分析结果给出的是概率寿命上限值或者下限值，可以为后续轮盘结构的寿命可靠性评估提供依据；步骤(5)、轮盘疲劳寿命非局部概率分析：结合轮盘有限元分析结果，对轮盘进行区块划分，根据轮盘的结构形式、材料性能分布和应力温度分布特点，结合微观参量对疲劳寿命影响分析结果、考虑几何尺寸效应和统计尺寸效应的概率寿命分析结果，将轮盘划分为多个有明显区分度的区块；将轮盘各区块分析结果数据导出分别进行概率寿命分析，采用建立的非局部概率寿命分析方法对轮盘整体及各区块分别开展疲劳寿命概率分析，给出轮盘整体的失效风险，分析各区块对轮盘整体失效风险的贡献比例，为进一步的轮盘结构优化和工艺优化提供参考；在得到各区块对轮盘整体失效风险的贡献比例之后，可以采用其他区块划分方式，继续分析轮盘各区块对轮盘整体失效风险的影响，最终得到给定的微观参量、轮盘尺寸下，对轮盘疲劳失效影响最大的局部结构，然后进行后续的针对性的优化设计。