一种多轴高低周复合疲劳寿命预测方法

本发明涉及疲劳寿命预测，尤其是涉及发动机涡轮叶片、燃气轮机等关键零部件的一种多轴高低周复合疲劳寿命预测方法。

背景技术：

1、航空发动机、燃气轮机等高端装备在服务过程中，由于装备启动-运行-停机等工况的交替出现，这些高端装备的关键零部件如涡轮、叶片等，会交替承受高周疲劳和低周疲劳载荷。由于结构复杂，工作环境恶劣，涡轮叶片的故障占到发动机总体故障的20％左右，其安全服役问题是制约我国高端装备发展的瓶颈之一。因此，研究高低周复合疲劳问题对我国高端装备的发展具有重要意义。

2、近年来越来越多的学者关注对高低周复合疲劳的问题研究，并取得了一些进展。但这些进展主要在单轴高低周复合疲劳方面，对多轴高低周复合疲劳问题研究较少。在实际工程中，由于环境更加复杂，这些关键零部件一般承受多轴载荷影响。针对多轴疲劳问题，用单轴理解研究会产生较大的误差。因此需要研究多轴高低周复合疲劳问题。对于多轴高低周复合疲劳问题，临界面的确定、怎么进行循环计数、每个反复损伤的计算以及这些损伤的累积都需要解决。工程实际中，由于线性损伤累积理论实施简单，应用较广，但是没有考虑高周和低周载荷交互的耦合影响。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多轴高低周复合疲劳寿命预测方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种多轴高低周复合疲劳寿命预测方法，所述方法步骤包括：

4、确定多轴高低周复合疲劳的临界面方位，并进行循环计数；

5、基于确定的临界面和循环计数结果，确定每个反复在临界面上的损伤参量，得到每个反复的等效应力；

6、基于线性准则，建立考虑载荷交互影响的多轴高低周复合疲劳损伤累积模型；

7、基于确定的临界面和循环计数结果，利用所建立的多轴高低周复合疲劳损伤累积模型，对多轴高低周复合疲劳进行寿命预测。

8、作为优选技术方案，所述的临界面方位确定采用权函数法确定，通过权函数法确定权平均最大绝对剪应力平面，并在此平面上计算多轴高低周复合疲劳损伤。

9、作为优选技术方案，所述的权平均最大绝对剪应力平面的方位由下式确定：

10、

11、式中：表示权平均最大绝对剪应力平面的法向向量与x轴的夹角；w(tk)表示tk时刻的权函数；wtotal表示权函数w(tk)从t1到tn时刻的和；

12、所述权函数w(tk)的表达式如下：

13、

14、式中：max{τmax(tk)}表示最大剪应力τmax(tk)在一个循环或一个载荷块的时间历程中的最大值；min{τmax(tk)}表示最大剪应力τmax(tk)在一个循环或一个载荷块的时间历程中的最小值。

15、作为优选技术方案，所述的多轴高低周复合疲劳进行循环计数采用wang-brown多轴循环计数方法，先求出最大mises等效应力，通过相对等效应力进行wang-brown多轴循环计数。

16、作为优选技术方案，得到所述每个反复的等效应力具体步骤如下：

17、基于权函数确定的临界面和wang-brown循环计数结果，确定每个反复在临界面上的损伤参量，包括临界面上的最大正应力和剪应力幅；

18、将静疲劳理论mises准则扩展应用于多轴高低周复合疲劳确定每个反复的等效应力。

19、作为优选技术方案，所述每个反复的等效应力σeq_c的表达式如下：

20、

21、式中：σmax_c为临界面上最大正应力值；τa_c为临界面上剪应力幅值。

22、作为优选技术方案，所述考虑载荷交互影响的多轴高低周复合疲劳损伤累积模型的表达式如下：

23、

24、式中：db表示一个载荷块的损伤；ni表示第i个反复等效应力对应的疲劳寿命；n表示一个载荷块反复的数目；σeq_c表示载荷块反复的等效应力。

25、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

26、1)本发明提出的一种多轴高低周复合疲劳寿命预测模型，可以考虑多轴高周和低周疲劳耦合损伤的影响，通过载荷交互因子考虑高低周载荷交互影响。提出寿命预测方法，可以用于预测多轴高低周复合加载下的疲劳寿命。

27、2)本发明方法基于权函数法确定临界面，并引入wang-brown多轴循环计数进行计数，将静疲劳理论mises准则扩展应力于多轴高低周复合疲劳确定每个反复的等效应力，再通过所构建的考虑多轴高周和低周疲劳耦合损伤的影响的预测模型进行预测。本发明方法不仅预测过程简单，且疲劳寿命预测结果接近于试验结果，具有较高的预测精度，为发动机涡轮叶片的可靠性设计和延寿设计提供支撑。

技术特征：

1.一种多轴高低周复合疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述方法步骤包括：

2.根据权利要求1所述的一种多轴高低周复合疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述的临界面方位确定采用权函数法确定，通过权函数法确定权平均最大绝对剪应力平面，并在此平面上计算多轴高低周复合疲劳损伤。

3.根据权利要求2所述的一种多轴高低周复合疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述的权平均最大绝对剪应力平面的方位由下式确定：

4.根据权利要求1所述的一种多轴高低周复合疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述的多轴高低周复合疲劳进行循环计数采用wang-brown多轴循环计数方法，先求出最大mises等效应力，通过相对等效应力进行wang-brown多轴循环计数。

5.根据权利要求1所述的一种多轴高低周复合疲劳寿命预测方法，其特征在于，得到所述每个反复的等效应力具体步骤如下：

6.根据权利要求5所述的一种多轴高低周复合疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述每个反复的等效应力aeq-c的表达式如下：

7.根据权利要求1所述的一种多轴高低周复合疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述考虑载荷交互影响的多轴高低周复合疲劳损伤累积模型的表达式如下：

技术总结
本发明涉及一种多轴高低周复合疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：将权函数法引入多轴高低周复合疲劳中，用于确定临界面方位；利用Wang‑Brown多轴计数方法对多轴高低周复合疲劳载荷进行循环计数；通过对试验数据分析，基于线性准则，通过考虑载荷交互影响提出新的模型，用于预测多轴高低周复合疲劳寿命；基于确定的临界面和循环计数结果，利用提出的寿命预测模型，对多轴高低周复合疲劳进行寿命预测。本发明方法可以较为准确的预测航空高温材料在多轴高低周复合疲劳加载下的寿命，对航空发动机、燃气轮机等高端装备疲劳寿命设计和安全服役具有重要的意义。

技术研发人员：王晓玮,许继成,景永乐,沈琴,滕兵,韩丽华
受保护的技术使用者：上海工程技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12