一种增压器压气机叶轮叶片振动疲劳可靠寿命评价方法
【专利摘要】本发明涉及一种车用涡轮增压器压气机叶轮叶片振动疲劳可靠寿命评价方法，首先确定车用涡轮增压器的运行工况与压气机叶轮的工作状态参数，然后确定压气机叶轮叶片振动疲劳危险部位及其对应每一种工况的应力参数，继而采用试验方法确定压气机叶轮叶片振动疲劳危险部位的疲劳强度，比较不同工况下压气机叶轮叶片振动疲劳危险部位的等效应力与叶片的疲劳极限之间的大小并确定压气机叶轮叶片振动疲劳寿命评价的有效应力参数，确定出压气机叶轮叶片振动疲劳寿命的概率分布特征和满足不同可靠度要求的可靠寿命。能够在涡轮增压器研制阶段对压气机叶轮的叶片振动疲劳可靠寿命做出评价，可以更好地指导压气机叶轮的结构设计与合理使用。
【专利说明】 一种增压器压气机叶轮叶片振动疲劳可靠寿命评价方法
【技术领域】
[0001]本发明属于车用涡轮增压器压气机叶轮结构可靠性与寿命评价方法，具体涉及一种车用涡轮增压器压气机叶轮叶片振动疲劳可靠寿命评价方法。
【背景技术】
[0002]GJB451A-2005《可靠性维修性保障性术语》对任务剖面这一概念进行了描述:产品在完成规定任务这段时间内所经历的事件和环境的时序描述。
[0003]涡轮增压器是车用发动机实现功率密度提升和增强高原环境适应性的关键部件之一，压气机叶轮作为涡轮增压器的核心零件，其可靠性直接影响着涡轮增压器和整个发动机的可靠性与使用寿命。叶片振动疲劳失效是车用涡轮增压器压气机叶轮的一种重要失效模式。由于车用发动机工作具有典型的“面工况”特点，车用涡轮增压器的运行通常由多种工况组成，相应地，压气机叶轮的工作状态参数也在不断变化，压气机叶轮存在发生叶片共振的风险。涡轮增压器在某工况下运行时，当压气机叶轮叶片上所受到的激振力频率与叶片的固有振动频率接近或成整数倍时，压气机叶轮便会发生叶片共振。压气机叶轮发生叶片共振时应力急剧增大，并可能超过疲劳极限，最终，叶片在经历一定的使用寿命后发生疲劳断裂。压气机叶轮一旦发生叶片振动疲劳断裂，不仅会引起涡轮增压器的损坏，而且会使发动机无法正常工作。因此，在车用涡轮增压器研制过程中，针对压气机叶轮的叶片振动疲劳失效模式，对压气机叶轮叶片振动疲劳可靠性与寿命进行科学评价，不仅能够及时发现压气机叶轮叶片结构上存在的不足，科学地指导压气机叶轮叶片的优化设计；而且能够指导压气机叶轮的合理使用，有效地保证车用涡轮增压器和发动机的使用可靠性。
[0004]现有的车用涡轮增压器压气机叶轮叶片振动评价方法，主要借助增压器转速与叶片振动固有频率共振线图，在对压气机叶轮叶片振动固有频率进行分析的基础上，按照“叶片振动固有频率大于3.5倍增压器额定工作转速”的判据对压气机叶片振动可靠性做出评价。然而，这种评价方法没有考虑压气机叶轮叶片疲劳特性及其分散性的影响，不能够对压气机叶轮由于叶片振动引起的疲劳失效模式进行可靠性分析与寿命评价。
【发明内容】
[0005]本发明针对车用涡轮增压器压气机叶轮的特点，提供一种车用涡轮增压器压气机叶轮叶片振动疲劳可靠寿命评价方法。能够在车用涡轮增压器研制过程中，根据车用涡轮增压器的任务剖面以及压气机叶轮的工作状态参数与结构参数，在确定压气机叶轮叶片振动疲劳应力与强度的基础上，得到压气机叶轮叶片振动疲劳寿命概率分布模型，确定出满足不同可靠性要求的压气机叶轮叶片振动疲劳可靠寿命。
[0006]本发明技术方案:一种车用涡轮增压器压气机叶轮叶片振动疲劳可靠寿命评价方法，其特征是包括以下步骤:
[0007]a、确定涡轮增压器的运行工况与压气机叶轮的工作状态参数；
[0008]b、确定压气机叶轮叶片振动疲劳危险部位；[0009]C、确定压气机叶轮叶片振动疲劳危险部位的应力参数；
[0010]d、确定压气机叶轮叶片振动疲劳危险部位的疲劳强度；
[0011]e、确定压气机叶轮叶片振动疲劳寿命评价的有效应力参数；
[0012]f、确定压气机叶轮叶片振动疲劳寿命的概率分布特征；
[0013]g、确定压气机叶轮叶片振动疲劳可靠寿命。
[0014]具体地，在步骤a中，结合车用发动机的任务剖面，根据涡轮增压器与发动机的匹配关系运用仿真计算方法或通过试验测试，确定出涡轮增压器的运行工况和不同工况对应的运行时间；进一步，针对涡轮增压器的每一种运行工况，采用仿真计算或试验测试方法，确定压气机叶轮在不同工况下运行时的工作状态参数，即压气机叶轮的转速、进口温度、出口温度、进口压力、出口压力与流量。
[0015]在步骤b中，利用有限元法对压气机叶轮叶片振动特性进行分析，确定出压气机叶轮长叶片一阶振动固有频率及振型，将叶片一阶振动节线位置作为压气机叶轮的叶片振动疲劳危险部位。
[0016]在步骤c中，根据步骤a中确定的涡轮增压器运行工况与压气机叶轮工作状态参数以及步骤b确定的叶片振动疲劳危险部位，确定压气机叶轮叶片振动疲劳危险部位对应每一种工况的应力参数，针对第i种工况，首先利用有限元方法确定出压气机叶轮的离心载荷、热载荷和稳态气动载荷，并对压气机叶轮进行非定常流动分析获得压气机叶轮叶片上气流激振力的幅频特性；其次，通过对压气机叶轮叶片施加离心载荷、热载荷和稳态气动载荷确定出压气机叶轮叶片振动疲劳危险部位的静态应力通过对叶片施加气流激振
力确定出压气机叶轮叶片振动疲劳危险部位的交变应力和振动频率c⑴;然后，按照式
(I)确定出涡轮增压器在第i种工况下运行时压气机叶轮叶片振动疲劳危险部位的等效应力即
【权利要求】
1.一种车用涡轮增压器压气机叶轮叶片振动疲劳可靠寿命评价方法，其特征是包括以下步骤: a、确定涡轮增压器的运行工况与压气机叶轮的工作状态参数； b、确定压气机叶轮叶片振动疲劳危险部位； C、确定压气机叶轮叶片振动疲劳危险部位的应力参数； d、确定压气机叶轮叶片振动疲劳危险部位的疲劳强度； e、确定压气机叶轮叶片振动疲劳寿命评价的有效应力参数； f、确定压气机叶轮叶片振动疲劳寿命的概率分布特征； g、确定压气机叶轮叶片振动疲劳可靠寿命。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器压气机叶轮叶片振动疲劳可靠寿命评价方法，其特征是:在步骤a中，结合车用发动机的任务剖面，根据涡轮增压器与发动机的匹配关系运用仿真计算方法或通过试验测试，确定出涡轮增压器的运行工况和不同工况对应的运行时间；进一步，针对涡轮增压器的每一种运行工况，采用仿真计算或试验测试方法，确定压气机叶轮在不同工况下运行时的工作状态参数，即压气机叶轮的转速、进口温度、出口温度、进口压力、出口压力与流量。
3.根据权利要求1所述的增压器压气机叶轮叶片振动疲劳可靠寿命评价方法，其特征是:在步骤b中，利用有限元法对压气机叶轮叶片振动特性进行分析，确定出压气机叶轮长叶片一阶振动固有频率及振型，将叶片一阶振动节线位置作为压气机叶轮的叶片振动疲劳危险部位。
4.根据权利要求1所述的增压器压气机叶轮叶片振动疲劳可靠寿命评价方法，其特征是:在步骤c中，根据步骤a中确`定的涡轮增压器运行工况与压气机叶轮工作状态参数以及步骤b确定的叶片振动疲劳危险部位，确定压气机叶轮叶片振动疲劳危险部位对应每一种工况的应力参数，针对第i种工况，首先利用有限元方法确定出压气机叶轮的离心载荷、热载荷和稳态气动载荷，并对压气机叶轮进行非定常流动分析获得压气机叶轮叶片上气流激振力的幅频特性；其次，通过对压气机叶轮叶片施加离心载荷、热载荷和稳态气动载荷确定出压气机叶轮叶片振动疲劳危险部位的静态应力，通过对叶片施加气流激振力确定出压气机叶轮叶片振动疲劳危险部位的交变应力和振动频率c(i);然后，按照式(I)确定出涡轮增压器在第i种工况下运行时压气机叶轮叶片振动疲劳危险部位的等效应力4 ,BP
(O 式(I)中的Ob为叶片振动疲劳危险部位的拉伸极限。
5.根据权利要求1所述的增压器压气机叶轮叶片振动疲劳可靠寿命评价方法，其特征是:在步骤d中，通过在试验机上对压气机叶轮叶片振动疲劳危险部位的取样进行对称循环疲劳试验，即应力比r = -1，并对试验数据进行统计分析，确定出压气机叶轮叶片疲劳寿命对数均值μ1ηΝ和对数标准差σ1ηΝ与应力s之间的关系以及疲劳极限o + gp
l.1 InN = Fu (S)(2) 0InN = F0(S) (3)。
6.根据权利要求1所述的增压器压气机叶轮叶片振动疲劳可靠寿命评价方法，其特征是:在步骤e中，通过比较步骤c中确定的不同工况下运行时压气机叶轮叶片振动疲劳危险部位的等效应力与叶片的疲劳极限σ 之间的大小，并结合步骤a确定的增压器运行工况，确定出等效应力大于疲劳极限对应的k种工况，将这k种工况对应的应力σ2(/ = 1,..?，幻作为压气机叶轮叶片振动疲劳寿命评价的有效应力参数，其振动频率和运行时间分别为c⑴(i = l,…，k)和 T⑴(i = I,…，k)。
7.根据权利要求1所述的增压器压气机叶轮叶片振动疲劳可靠寿命评价方法，其特征是:在步骤f中，以发动机任务剖面的循环次数η作为压机叶轮叶片振动疲劳寿命度量指标，根据线性Miner累积损伤法则，确定压机叶轮叶片振动疲劳寿命失效模式的极限状态方程，即
8.根据权利要求1所述的增压器压气机叶轮叶片振动疲劳可靠寿命评价方法，其特征是:在步骤g中，根据给定的可靠度R*，利用式(8)，令F(n) = 1-R*，通过求解式(9)所示的方程，即
【文档编号】G06F19/00GK103745132SQ201410044557
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年1月23日 优先权日:2014年1月23日
【发明者】王正, 王增全, 门日秀, 王阿娜, 张宇飞, 张俊 申请人:中国北方发动机研究所(天津)