考虑二维应力梯度线的带圆孔安装座结构疲劳寿命预测方法

本发明属于带圆孔安装座结构疲劳寿命预测，具体涉及一种考虑二维应力梯度线的带圆孔安装座结构疲劳寿命预测方法。

背景技术：

1、航空发动机是飞行器的“心脏”，是重要的动力输出部件。机匣是航空发动机的重要组成部分之一，起到支撑转子、固定静子叶片及附件的作用，与其他部件共同组成发动机的气流道，将发动机产生的推力传递到飞机上。

2、在燃烧室机匣的典型结构中，由于结构设计需要，通常含有各种类别的带圆孔安装座。燃烧室机匣承受多种复杂载荷作用，如机匣内外压力差、气体轴向力、由机匣前后安装边带来的扭矩、机匣外壁各种安装座接头载荷等，在多轴载荷作用下，这些安装座结构会在孔边产生应力集中。安装座孔边部位应力水平较高，应力梯度也较大，极易萌生裂纹，进而发生破坏，是燃烧室机匣的危险部位，故在评估燃烧室机匣的疲劳寿命时，需重点关注安装座孔边部位的低周疲劳损伤。此外，现代高性能发动机燃烧室机匣的工作温度高达450～650℃，机匣整体都承受着高温燃气压力作用，因此在评估燃烧室机匣寿命时，还需要考虑温度的影响。本发明正是在这一背景下，提出了一种新的方法用于预测带圆孔安装座结构的疲劳寿命。

技术实现思路

1、本发明的目的在于以安装座孔边危险截面上的实际二维应力梯度线为基础，结合该曲线上的swt参量来确定临界距离，从而建立一种考虑多维应力梯度线的tcd-swt疲劳寿命预测模型，提供了一种考虑二维应力梯度线的带圆孔安装座结构疲劳寿命预测方法；

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种考虑二维应力梯度线的带圆孔安装座结构疲劳寿命预测方法，包括：

3、步骤1：采用数值模拟方法，对安装座孔边结构危险截面进行有限元模拟计算，得到安装座孔边结构危险截面应力分布，再采用梯度下降法对安装座孔边结构危险截面应力分布的二维应力梯度进行计算，得到安装座孔边结构危险截面上实际二维应力梯度曲线；

4、步骤2：根据安装座孔边结构危险截面上实际二维应力梯度曲线，确定二维应力梯度曲线上的swt参量分布线；

5、步骤3：通过材料光滑件试验确定swt模型及其相关参数，再结合安装座孔边结构试件的疲劳试验，得到安装座孔边结构试件的有效swt参量(σmaxεa)eff；

6、步骤4：对二维应力梯度曲线上的swt参量分布线进行拟合，并积分求出临界距离段内的平均值，使临界距离段内的平均值与安装座孔边结构试件的有效swt参量(σmaxεa)eff相等，建立等式，求解该等式，得到临界距离；

7、步骤5：对二维应力梯度线l上的swt参量分布线进行拟合，并积分求出swt参量分布线上临界距离段内的平均值，并使得swt参量分布线上临界距离段内的平均值与材料光滑件的swt模型相等，得到安装座孔边结构疲劳寿命预测模型。

8、进一步地，所述步骤1包括：

9、步骤1.1：采用数值模拟方法，对安装座孔边结构危险截面进行有限元模拟计算，得到安装座孔边结构危险截面上各节点的应力，再提取安装座孔边结构危险截面上各节点的应力并形成矩阵，接着将矩阵数据绘制成二维平面图，最后根据二维平面图得到安装座孔边结构危险截面应力分布；

10、步骤1.2：将应力最大的点设为初始点(x1,y1)，根据梯度下降法的公式确定第二个点的位置，依此类推，确定剩余所有点的位置，将得到这些点绘制在步骤1.1中二维平面图，获得安装座孔边结构危险截面上实际二维应力梯度曲线。

11、进一步地，所述梯度下降法的公式：

12、

13、

14、其中，x和y是坐标；λ是步长；f为关于x、y的函数，σ是应力矩阵中的应力。

15、进一步地，所述步骤2具体为：

16、以安装座孔边结构危险截面上实际二维应力梯度曲线的起点为圆心，做若干个半径不同的圆弧，设圆弧与应力梯度线的交点为p1、p2、p3等，提取交点p1、p2、p3……处的坐标(xi,yi)，随后提取这些交点的应力和应变，代入swt参量的公式，得到这些交点swt参量，接下来以swt参量为纵坐标和以l/r为横坐标作图，得到二维应力梯度曲线上的swt参量分布线。

17、进一步地，所述swt参量的公式为：

18、

19、其中，σmax为安装座结构孔边最大应力，εmax和εmin分别为孔边最大、最小应变，εa为应变幅值。

20、进一步地，所述步骤3包括：

21、步骤3.1：根据安装座孔边结构试件的疲劳试验拟合得到名义应力-寿命曲线，所述名义应力-寿命曲线为：

22、lgσnor＝a+blgnf

23、其中，a和b均为材料参数，σnor为名义应力，nf为疲劳试验寿命。

24、步骤3.2：采用manson-coffin方程描述应变与寿命的关系，并通过材料光滑件应变试验得到相关材料参数，得到所述应变与寿命的关系为；

25、

26、再以对称循环参数为基础，同时考虑应变幅值εa及最大应力σmax对低周疲劳的作用，并在所述应变与寿命的关系基础上，将应变幅值εa和最大应力σmax进行拟合建立材料光滑件的swt模型，所述材料光滑件的swt模型为：

27、

28、其中，σ′f为疲劳强度系数，ε′f为疲劳延性系数，b为疲劳强度指数，c为疲劳延性指数，e为弹性模量；

29、步骤3.3：将各载荷级名义应力σnor带入名义应力-寿命曲线可获得各载荷级对应的理论寿命将理论寿命代入材料光滑件的swt模型中，反推得到安装座孔边结构试件的有效swt参量(σmaxεa)eff。

30、进一步地，所述步骤4中的等式为：

31、

32、其中，dlm为临界距离，σmaxεa为应力梯度线上的swt参量，(σmaxεa)eff为安装座孔边结构试件的有效swt参量，l为危险截面应力梯度线上距离孔底角的距离。

33、进一步地，所述安装座孔边结构疲劳寿命预测模型为：

34、

35、其中，dlm为临界距离，σmaxεa为应力梯度线l上的swt参量，σ′f为疲劳强度系数，ε′f为疲劳延性系数，b为疲劳强度指数，c为疲劳延性指数，e为弹性模量。

36、有益效果：本发明提供的针对带圆孔安装座结构的疲劳性能预测方法，与现有技术相比，具有以下优势：传统临界距离法在求解临界距离时，是以垂直加载方向的孔边延长线为应力梯度线，该方法对于含缺口的薄板适应性较好，但是带圆孔安装座孔边的厚度较大，其孔边应力梯度线并非沿孔边延长线方向，而是逐渐向厚度方向偏转，因此本发明以带圆孔安装座孔边危险截面上的二维应力梯度线为基础，结合该曲线上的swt参量来确定临界距离，预测结果都在2倍分散带内，预测精度更高，具有更好的工程应用价值。

技术特征：

1.一种考虑二维应力梯度线的带圆孔安装座结构疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述考虑二维应力梯度线的带圆孔安装座结构疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤1包括：

3.根据权利要求2所述考虑二维应力梯度线的带圆孔安装座结构疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述梯度下降法的公式：

4.根据权利要求1所述考虑二维应力梯度线的带圆孔安装座结构疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤2具体为：

5.根据权利要求4所述考虑二维应力梯度线的带圆孔安装座结构疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述swt参量的公式为：

6.根据权利要求1所述考虑二维应力梯度线的带圆孔安装座结构疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤3包括：

7.根据权利要求1所述考虑二维应力梯度线的带圆孔安装座结构疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤4中的等式为：

8.根据权利要求1所述考虑二维应力梯度线的带圆孔安装座结构疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述安装座孔边结构疲劳寿命预测模型为：

技术总结
本发明提供了一种考虑二维应力梯度线的带圆孔安装座结构疲劳寿命预测方法。其基本思想为：在传统的临界距离法(Theory ofCritical Distance，TCD)模型的基础上进行改进，由于安装座孔边结构的厚度较大，其孔边应力梯度线并非简单一维的沿孔边延长线方向，而是逐渐向厚度方向偏转，因此本发明以安装座孔边危险截面上的实际二维应力梯度线为基础，结合该曲线上的SWT参量来确定临界距离，从而建立一种考虑多维应力梯度线的TCD‑SWT疲劳寿命预测模型。该寿命预测模型适用于安装座这种存在较大二维应力梯度的缺口结构的疲劳寿命预测，预测结果都在2倍分散带内，预测精度高，具有较好的工程应用价值。

技术研发人员：刘小刚,魏昊,朱冬闯,于盛吉
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21