考虑表面初始加工刀痕的轮盘低循环疲劳寿命预测方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑表面初始加工刀痕的轮盘低循环疲劳寿命预测方法，其步骤如下：(1)基于轮盘的三维几何模型的循环对称特征，任选其中一个扇形段，建立有限元模型；(2)输入材料参数和载荷参数，计算轮盘经历一个循环的应变幅值和应力幅值；(3)根据应变幅及应变‑寿命曲线预测轮盘表面无初始加工刀痕时的低循环疲劳寿命Nf‑smo；(4)根据与裂纹尺寸对应的当量低循环寿命Nf‑eqv的表达式，计算出Nf‑eqv值；(5)根据Nf‑rou＝Nf‑smo‑Nf‑eqv预测考虑表面初始加工刀痕的轮盘低循环疲劳寿命Nf‑rou。本发明专利技术发考虑了轮盘表面初始加工刀痕对低循环疲劳寿命的影响，提高了低循环疲劳寿命预测精度。

Low Cycle Fatigue Life Prediction Method of Wheel Disc Considering Initial Machining Tool Mark on Surface

【技术实现步骤摘要】
考虑表面初始加工刀痕的轮盘低循环疲劳寿命预测方法
本专利技术属于轮盘疲劳寿命测试领域，涉及一种考虑表面初始加工刀痕的零件低循环疲劳寿命预测方法，特别涉及一种基于能量法考虑表面初始加工刀痕的轮盘低循环疲劳寿命预测方法。
技术介绍
航空发动机中轮盘是主要的旋转部件之一，是主要的承力件，在高速旋转时不仅承受轮缘处叶片的离心载荷，同时还承受轮盘自身的离心载荷及轮缘轮心温差形成的热载荷。低循环疲劳失效是轮盘失效的主要模式之一，当飞机从地面静止状态起飞至高空状态，完成任务后再降落至地面静止状态这一完整的起落过程中，发动机轮盘会经历从最小状态至最大状态再回到最小状态的过程。在这一过程中发动机轮盘上的应力会交变一次，从最小值到最大值再回到最小值。飞机每执行一次飞行任务，发动机上轮盘的应力均交变一次，轮盘某些应力集中部位(例如：盘体喉部)在经历了一定数量的应力交变后，在其表面会出现裂纹，对应的应力交变次数或发动机起飞降落循环次数称为发动机轮盘的低循环疲劳寿命。现阶段，轮盘低循环疲劳寿命预测时，是基于材料手册给定的应力寿命曲线或应变寿命曲线，而这些曲线是基于标准光滑试件的试验数据，标准光滑试件表面光洁度高，工程使用中的轮盘表面光洁度不可能有标准光滑试件那么高。轮盘的车加工工艺决定了其表面不可避免地会存在加工刀痕，而这些表面加工刀痕会对轮盘的低循环疲劳寿命造成一定的影响，如果不考虑表面加工刀痕的影响，预测的低循环疲劳寿命可能会比实际使用中的高，这样就会影响轮盘的使用安全性。
技术实现思路
为克服现有技术的上述缺陷和不足，本专利技术旨在提供一种基于能量法考虑表面初始加工刀痕的轮盘低循环疲劳寿命预测方法，该方法将轮盘表面初始加工刀痕深度融入到低循环疲劳寿命预测方法中，可以提高轮盘低循环疲劳寿命预测精度，进而提高轮盘的安全可靠性。本专利技术为解决其技术问题所采用的技术方案为：一种考虑表面初始加工刀痕的轮盘低循环疲劳寿命预测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：SS1.基于轮盘的三维几何模型的循环对称特征，任选其中一个扇形段，按表面无加工刀痕进行网格划分，建立轮盘的有限元模型；SS2.基于步骤SS1建立的有限元模型，输入轮盘的材料性能参数和载荷参数，并施加边界约束，计算轮盘经历最小状态运转至最大状态再运转至最小状态这样一个循环中轮盘的最大应力、最小应力和最大应变、最小应变，得到应变幅值和应力幅值；SS3.根据步骤SS2计算得到的应变幅值及轮盘材料的应变-寿命曲线预测轮盘表面无初始加工刀痕时的低循环疲劳寿命Nf-smo；SS4.将轮盘表面的初始刀痕视作裂纹，假设轮盘表面某一裂纹是由一次断裂和低循环疲劳两种方式产生的，根据一次断裂应变能和低循环疲劳消耗应变能之间的关系，得到与裂纹尺寸对应的当量低循环疲劳寿命Nf-eqv的表达式，并根据轮盘的相关材料性能参数，计算出Nf-eqv的值；SS5.根据Nf-rou＝Nf-smo-Nf-eqv，计算出考虑表面初始加工刀痕的低循环疲劳寿命Nf-rou。优选地，所述步骤SS1中，所述材料性能参数至少包括材料密度、弹性模量、线膨胀系数及应力-应变曲线，所述载荷参数至少包括最大状态和最小状态时轮盘的转速、温度。优选地，所述步骤SS3中，轮盘材料的应变-寿命曲线通过材料手册获得。优选地，所述步骤SS4中，所述轮盘的相关材料性能参数至少包括断裂强度、断裂延性、应变硬化指数、对应应变幅下每个循环单位体积消耗的塑性应变能，并通过材料手册获得。优选地，所述步骤SS4中，与裂纹尺寸对应的当量低循环疲劳寿命Nf-eqv的表达式如下：式中，σf、εf、n为材料常数，分别为断裂强度、断裂延性、应变硬化指数；σa为步骤SS2中计算得到的应力幅值；ΔW为对应应变幅下每个循环单位体积消耗的塑性应变能，也为材料常数；a1为对低循环疲劳寿命无影响的最大裂纹尺寸，为已知值；a2为表面初始加工刀痕深度，为已知值。本专利技术与现有技术相比的优点在于：本专利技术的考虑轮盘表面初始加工刀痕的低循环疲劳寿命预测方法，通过能量关系得到与表面初始加工刀痕深度对应的当量低循环疲劳寿命Nf-eqv，然后用现有技术预测的不考虑初始加工刀痕的低循环疲劳寿命Nf-smo减去初始加工刀痕对应的当量低循环疲劳寿命Nf-eqv，即为考虑表面初始加工刀痕的低循环疲劳寿命Nf-rou。相对于现有技术，本专利技术的考虑轮盘表面初始加工刀痕的低循环疲劳寿命预测方法不需要任何新增的材料性能数据，却能够有效地考虑表面初始加工刀痕对低循环疲劳寿命的影响，所得低循环疲劳寿命预测结果更接近于轮盘使用过程中的实际低循环疲劳寿命，预测精度更高。附图说明图1为本专利技术的考虑轮盘表面初始加工刀痕的低循环疲劳寿命预测方法的实现流程图；图2为轮盘的有限元模型示意图；图3为轮盘的最大状态应力分布示意图；图4为轮盘的最大状态应变分布示意图；图5为轮盘的最小状态应力分布示意图；图6为轮盘的最小状态应变分布示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本专利技术进一步详细说明。本专利技术提出了一种基于能量法考虑表面加工刀痕的轮盘低循环疲劳寿命预测方法，为了更充分地了解该专利技术的特点及工程实际的适用性，依据如图1所示流程，实现了考虑表面初始加工刀痕的低循环疲劳寿命预测，包括以下步骤：SS1.基于某轮盘的三维几何模型的循环对称特征，任选其中一个扇形段，定义单元类型，按表面无加工刀痕进行网格划分，建立轮盘的有限元模型，如图2所示；SS2.基于步骤SS1建立的有限元模型，输入密度、弹性模量、线膨胀系数、应力-应变曲线等材料性能参数，并输入最大状态和最小状态的转速、温度等载荷参数，施加边界约束，计算轮盘经历最小状态运转至最大状态再运转至最小状态这样一个循环中轮盘最大状态和最小状态的最大、最小应力和最大、最小应变，如图3～图6所示，进而得到应变幅值为0.0073672和应力幅值为286MPa；SS3.根据步骤SS2计算的应变幅值及材料手册中的应变-寿命曲线预测轮盘表面无初始加工刀痕时的低循环疲劳寿命Nf-smo＝5320次。SS4.将表面刀痕视作裂纹，假设轮盘表面某一裂纹是由一次断裂和低循环疲劳两种方式产生的，根据一次断裂应变能和低循环疲劳消耗应变能之间的关系，得到与裂纹尺寸对应的当量低循环寿命Nf-eqv的表达式，根据公式材料性能数据及表面刀痕深度计算出Nf-eqv＝1956次。SS5.根据Nf-rou＝Nf-smo-Nf-eqv计算得到考虑表面加工刀痕的轮盘低循环疲劳寿命Nf-rou＝3364次。相比不考虑表面加工刀痕的轮盘低循环疲劳寿命Nf-smo，考虑表面刀痕使轮盘低循环疲劳寿命降低了37％。该轮盘实际使用中的低循环疲劳寿命是2498次，不考虑表面加工刀痕预测的轮盘低循环疲劳寿命的分散度为2.12，考虑表面加工刀痕预测的轮盘低循环疲劳寿命的分散度为1.35，明显低于不考虑加工刀痕的低循环疲劳寿命分散度，与实际使用中的低循环疲劳寿命更接近，考虑表面初始加工刀痕低循环疲劳寿命预测精度更高。综上所述，本专利技术提出了一种基于能量法考虑表面初始加工刀痕的轮盘低循环疲劳寿命预测方法。该方法基于产生表面裂纹的两种模式所需的能量之间的关系建立了与裂纹深度对应的当量低循环疲劳寿命计算公式，进而得到了考虑本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑表面初始加工刀痕的轮盘低循环疲劳寿命预测方法，其特征在于，该方法实现步骤如下：SS1.基于轮盘的三维几何模型的循环对称特征，任选其中一个扇形段，按表面无加工刀痕进行网格划分，建立有限元模型；SS2.基于步骤SS1建立的有限元模型，输入轮盘的材料性能参数和载荷参数，并施加边界约束，计算轮盘经历最小状态运转至最大状态再运转至最小状态这样一个循环中轮盘的最大应力、最小应力和最大应变、最小应变，得到应变幅值和应力幅值；SS3.根据步骤SS2计算得到的应变幅值及轮盘材料的应变‑寿命曲线预测轮盘表面无初始加工刀痕时的低循环疲劳寿命Nf‑smo；SS4.将轮盘表面的初始加工刀痕视作裂纹，假设轮盘表面某一裂纹是由一次断裂和低循环疲劳两种方式产生的，根据一次断裂应变能和低循环疲劳消耗应变能之间的关系，得到与裂纹尺寸对应的当量低循环寿命Nf‑eqv的表达式，并根据轮盘的相关材料性能参数，计算出Nf‑eqv的值；SS5.根据Nf‑rou＝Nf‑smo‑Nf‑eqv，计算出考虑轮盘表面初始加工刀痕的低循环疲劳寿命。

【技术特征摘要】
1.一种考虑表面初始加工刀痕的轮盘低循环疲劳寿命预测方法，其特征在于，该方法实现步骤如下：SS1.基于轮盘的三维几何模型的循环对称特征，任选其中一个扇形段，按表面无加工刀痕进行网格划分，建立有限元模型；SS2.基于步骤SS1建立的有限元模型，输入轮盘的材料性能参数和载荷参数，并施加边界约束，计算轮盘经历最小状态运转至最大状态再运转至最小状态这样一个循环中轮盘的最大应力、最小应力和最大应变、最小应变，得到应变幅值和应力幅值；SS3.根据步骤SS2计算得到的应变幅值及轮盘材料的应变-寿命曲线预测轮盘表面无初始加工刀痕时的低循环疲劳寿命Nf-smo；SS4.将轮盘表面的初始加工刀痕视作裂纹，假设轮盘表面某一裂纹是由一次断裂和低循环疲劳两种方式产生的，根据一次断裂应变能和低循环疲劳消耗应变能之间的关系，得到与裂纹尺寸对应的当量低循环寿命Nf-eqv的表达式，并根据轮盘的相关材料性能参数，计算出Nf-eqv的值；SS5.根据Nf-rou＝Nf-smo-Nf-eqv，计算出考虑轮盘表面初始加工...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯引利，蒋文婷，高金海，张帆，杜强，王沛，刘红蕊，刘军，柳光，廉曾妍，徐庆宗，王若楠，肖向涛，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11