一種增壓器壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞可靠壽命評(píng)價(jià)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種車用渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞可靠壽命評(píng)價(jià)方法，首先確定車用渦輪增壓器的運(yùn)行工況與壓氣機(jī)葉輪的工作狀態(tài)參數(shù)，然后確定壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞危險(xiǎn)部位及其對(duì)應(yīng)每一種工況的應(yīng)力參數(shù)，繼而采用試驗(yàn)方法確定壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞危險(xiǎn)部位的疲勞強(qiáng)度，比較不同工況下壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞危險(xiǎn)部位的等效應(yīng)力與葉片的疲勞極限之間的大小并確定壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞壽命評(píng)價(jià)的有效應(yīng)力參數(shù)，確定出壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞壽命的概率分布特征和滿足不同可靠度要求的可靠壽命。能夠在渦輪增壓器研制階段對(duì)壓氣機(jī)葉輪的葉片振動(dòng)疲勞可靠壽命做出評(píng)價(jià)，可以更好地指導(dǎo)壓氣機(jī)葉輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與合理使用。
【專利說(shuō)明】 一種增壓器壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞可靠壽命評(píng)價(jià)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于車用渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)可靠性與壽命評(píng)價(jià)方法，具體涉及一種車用渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞可靠壽命評(píng)價(jià)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]GJB451A-2005《可靠性維修性保障性術(shù)語(yǔ)》對(duì)任務(wù)剖面這一概念進(jìn)行了描述:產(chǎn)品在完成規(guī)定任務(wù)這段時(shí)間內(nèi)所經(jīng)歷的事件和環(huán)境的時(shí)序描述。
[0003]渦輪增壓器是車用發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)功率密度提升和增強(qiáng)高原環(huán)境適應(yīng)性的關(guān)鍵部件之一，壓氣機(jī)葉輪作為渦輪增壓器的核心零件，其可靠性直接影響著渦輪增壓器和整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性與使用壽命。葉片振動(dòng)疲勞失效是車用渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪的一種重要失效模式。由于車用發(fā)動(dòng)機(jī)工作具有典型的“面工況”特點(diǎn)，車用渦輪增壓器的運(yùn)行通常由多種工況組成，相應(yīng)地，壓氣機(jī)葉輪的工作狀態(tài)參數(shù)也在不斷變化，壓氣機(jī)葉輪存在發(fā)生葉片共振的風(fēng)險(xiǎn)。渦輪增壓器在某工況下運(yùn)行時(shí)，當(dāng)壓氣機(jī)葉輪葉片上所受到的激振力頻率與葉片的固有振動(dòng)頻率接近或成整數(shù)倍時(shí)，壓氣機(jī)葉輪便會(huì)發(fā)生葉片共振。壓氣機(jī)葉輪發(fā)生葉片共振時(shí)應(yīng)力急劇增大，并可能超過(guò)疲勞極限，最終，葉片在經(jīng)歷一定的使用壽命后發(fā)生疲勞斷裂。壓氣機(jī)葉輪一旦發(fā)生葉片振動(dòng)疲勞斷裂，不僅會(huì)引起渦輪增壓器的損壞，而且會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法正常工作。因此，在車用渦輪增壓器研制過(guò)程中，針對(duì)壓氣機(jī)葉輪的葉片振動(dòng)疲勞失效模式，對(duì)壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞可靠性與壽命進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，不僅能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)壓氣機(jī)葉輪葉片結(jié)構(gòu)上存在的不足，科學(xué)地指導(dǎo)壓氣機(jī)葉輪葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)；而且能夠指導(dǎo)壓氣機(jī)葉輪的合理使用，有效地保證車用渦輪增壓器和發(fā)動(dòng)機(jī)的使用可靠性。
[0004]現(xiàn)有的車用渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)評(píng)價(jià)方法，主要借助增壓器轉(zhuǎn)速與葉片振動(dòng)固有頻率共振線圖，在對(duì)壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)固有頻率進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，按照“葉片振動(dòng)固有頻率大于3.5倍增壓器額定工作轉(zhuǎn)速”的判據(jù)對(duì)壓氣機(jī)葉片振動(dòng)可靠性做出評(píng)價(jià)。然而，這種評(píng)價(jià)方法沒(méi)有考慮壓氣機(jī)葉輪葉片疲勞特性及其分散性的影響，不能夠?qū)簹鈾C(jī)葉輪由于葉片振動(dòng)引起的疲勞失效模式進(jìn)行可靠性分析與壽命評(píng)價(jià)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)車用渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪的特點(diǎn)，提供一種車用渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞可靠壽命評(píng)價(jià)方法。能夠在車用渦輪增壓器研制過(guò)程中，根據(jù)車用渦輪增壓器的任務(wù)剖面以及壓氣機(jī)葉輪的工作狀態(tài)參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)，在確定壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞應(yīng)力與強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，得到壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞壽命概率分布模型，確定出滿足不同可靠性要求的壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞可靠壽命。
[0006]本發(fā)明技術(shù)方案:一種車用渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞可靠壽命評(píng)價(jià)方法，其特征是包括以下步驟:
[0007]a、確定渦輪增壓器的運(yùn)行工況與壓氣機(jī)葉輪的工作狀態(tài)參數(shù)；
[0008]b、確定壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞危險(xiǎn)部位；[0009]C、確定壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞危險(xiǎn)部位的應(yīng)力參數(shù)；
[0010]d、確定壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞危險(xiǎn)部位的疲勞強(qiáng)度；
[0011]e、確定壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞壽命評(píng)價(jià)的有效應(yīng)力參數(shù)；
[0012]f、確定壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞壽命的概率分布特征；
[0013]g、確定壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞可靠壽命。
[0014]具體地，在步驟a中，結(jié)合車用發(fā)動(dòng)機(jī)的任務(wù)剖面，根據(jù)渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配關(guān)系運(yùn)用仿真計(jì)算方法或通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，確定出渦輪增壓器的運(yùn)行工況和不同工況對(duì)應(yīng)的運(yùn)行時(shí)間；進(jìn)一步，針對(duì)渦輪增壓器的每一種運(yùn)行工況，采用仿真計(jì)算或試驗(yàn)測(cè)試方法，確定壓氣機(jī)葉輪在不同工況下運(yùn)行時(shí)的工作狀態(tài)參數(shù)，即壓氣機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)速、進(jìn)口溫度、出口溫度、進(jìn)口壓力、出口壓力與流量。
[0015]在步驟b中，利用有限元法對(duì)壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)特性進(jìn)行分析，確定出壓氣機(jī)葉輪長(zhǎng)葉片一階振動(dòng)固有頻率及振型，將葉片一階振動(dòng)節(jié)線位置作為壓氣機(jī)葉輪的葉片振動(dòng)疲勞危險(xiǎn)部位。
[0016]在步驟c中，根據(jù)步驟a中確定的渦輪增壓器運(yùn)行工況與壓氣機(jī)葉輪工作狀態(tài)參數(shù)以及步驟b確定的葉片振動(dòng)疲勞危險(xiǎn)部位，確定壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞危險(xiǎn)部位對(duì)應(yīng)每一種工況的應(yīng)力參數(shù)，針對(duì)第i種工況，首先利用有限元方法確定出壓氣機(jī)葉輪的離心載荷、熱載荷和穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)載荷，并對(duì)壓氣機(jī)葉輪進(jìn)行非定常流動(dòng)分析獲得壓氣機(jī)葉輪葉片上氣流激振力的幅頻特性；其次，通過(guò)對(duì)壓氣機(jī)葉輪葉片施加離心載荷、熱載荷和穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)載荷確定出壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞危險(xiǎn)部位的靜態(tài)應(yīng)力通過(guò)對(duì)葉片施加氣流激振
力確定出壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞危險(xiǎn)部位的交變應(yīng)力和振動(dòng)頻率c⑴;然后，按照式
(I)確定出渦輪增壓器在第i種工況下運(yùn)行時(shí)壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞危險(xiǎn)部位的等效應(yīng)力即
【權(quán)利要求】
1.一種車用渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞可靠壽命評(píng)價(jià)方法，其特征是包括以下步驟: a、確定渦輪增壓器的運(yùn)行工況與壓氣機(jī)葉輪的工作狀態(tài)參數(shù)； b、確定壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞危險(xiǎn)部位； C、確定壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞危險(xiǎn)部位的應(yīng)力參數(shù)； d、確定壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞危險(xiǎn)部位的疲勞強(qiáng)度； e、確定壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞壽命評(píng)價(jià)的有效應(yīng)力參數(shù)； f、確定壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞壽命的概率分布特征； g、確定壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞可靠壽命。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞可靠壽命評(píng)價(jià)方法，其特征是:在步驟a中，結(jié)合車用發(fā)動(dòng)機(jī)的任務(wù)剖面，根據(jù)渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配關(guān)系運(yùn)用仿真計(jì)算方法或通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，確定出渦輪增壓器的運(yùn)行工況和不同工況對(duì)應(yīng)的運(yùn)行時(shí)間；進(jìn)一步，針對(duì)渦輪增壓器的每一種運(yùn)行工況，采用仿真計(jì)算或試驗(yàn)測(cè)試方法，確定壓氣機(jī)葉輪在不同工況下運(yùn)行時(shí)的工作狀態(tài)參數(shù)，即壓氣機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)速、進(jìn)口溫度、出口溫度、進(jìn)口壓力、出口壓力與流量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增壓器壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞可靠壽命評(píng)價(jià)方法，其特征是:在步驟b中，利用有限元法對(duì)壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)特性進(jìn)行分析，確定出壓氣機(jī)葉輪長(zhǎng)葉片一階振動(dòng)固有頻率及振型，將葉片一階振動(dòng)節(jié)線位置作為壓氣機(jī)葉輪的葉片振動(dòng)疲勞危險(xiǎn)部位。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增壓器壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞可靠壽命評(píng)價(jià)方法，其特征是:在步驟c中，根據(jù)步驟a中確`定的渦輪增壓器運(yùn)行工況與壓氣機(jī)葉輪工作狀態(tài)參數(shù)以及步驟b確定的葉片振動(dòng)疲勞危險(xiǎn)部位，確定壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞危險(xiǎn)部位對(duì)應(yīng)每一種工況的應(yīng)力參數(shù)，針對(duì)第i種工況，首先利用有限元方法確定出壓氣機(jī)葉輪的離心載荷、熱載荷和穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)載荷，并對(duì)壓氣機(jī)葉輪進(jìn)行非定常流動(dòng)分析獲得壓氣機(jī)葉輪葉片上氣流激振力的幅頻特性；其次，通過(guò)對(duì)壓氣機(jī)葉輪葉片施加離心載荷、熱載荷和穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)載荷確定出壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞危險(xiǎn)部位的靜態(tài)應(yīng)力，通過(guò)對(duì)葉片施加氣流激振力確定出壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞危險(xiǎn)部位的交變應(yīng)力和振動(dòng)頻率c(i);然后，按照式(I)確定出渦輪增壓器在第i種工況下運(yùn)行時(shí)壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞危險(xiǎn)部位的等效應(yīng)力4 ,BP


(O 式(I)中的Ob為葉片振動(dòng)疲勞危險(xiǎn)部位的拉伸極限。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增壓器壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞可靠壽命評(píng)價(jià)方法，其特征是:在步驟d中，通過(guò)在試驗(yàn)機(jī)上對(duì)壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞危險(xiǎn)部位的取樣進(jìn)行對(duì)稱循環(huán)疲勞試驗(yàn)，即應(yīng)力比r = -1，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定出壓氣機(jī)葉輪葉片疲勞壽命對(duì)數(shù)均值μ1ηΝ和對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差σ1ηΝ與應(yīng)力s之間的關(guān)系以及疲勞極限o + gp
l.1 InN = Fu (S)(2) 0InN = F0(S) (3)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增壓器壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞可靠壽命評(píng)價(jià)方法，其特征是:在步驟e中，通過(guò)比較步驟c中確定的不同工況下運(yùn)行時(shí)壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞危險(xiǎn)部位的等效應(yīng)力與葉片的疲勞極限σ 之間的大小，并結(jié)合步驟a確定的增壓器運(yùn)行工況，確定出等效應(yīng)力大于疲勞極限對(duì)應(yīng)的k種工況，將這k種工況對(duì)應(yīng)的應(yīng)力σ2(/ = 1,..?，幻作為壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞壽命評(píng)價(jià)的有效應(yīng)力參數(shù)，其振動(dòng)頻率和運(yùn)行時(shí)間分別為c⑴(i = l,…，k)和 T⑴(i = I,…，k)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增壓器壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞可靠壽命評(píng)價(jià)方法，其特征是:在步驟f中，以發(fā)動(dòng)機(jī)任務(wù)剖面的循環(huán)次數(shù)η作為壓機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞壽命度量指標(biāo)，根據(jù)線性Miner累積損傷法則，確定壓機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞壽命失效模式的極限狀態(tài)方程，即

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增壓器壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)疲勞可靠壽命評(píng)價(jià)方法，其特征是:在步驟g中，根據(jù)給定的可靠度R*，利用式(8)，令F(n) = 1-R*，通過(guò)求解式(9)所示的方程，即
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK103745132SQ201410044557
【公開(kāi)日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2014年1月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月23日
【發(fā)明者】王正, 王增全, 門日秀, 王阿娜, 張宇飛, 張俊 申請(qǐng)人:中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)