一種增壓器壓氣機葉輪葉片振動疲勞可靠壽命評價方法

2023-05-25 20:41:41

一種增壓器壓氣機葉輪葉片振動疲勞可靠壽命評價方法
【專利摘要】本發明涉及一種車用渦輪增壓器壓氣機葉輪葉片振動疲勞可靠壽命評價方法，首先確定車用渦輪增壓器的運行工況與壓氣機葉輪的工作狀態參數，然後確定壓氣機葉輪葉片振動疲勞危險部位及其對應每一種工況的應力參數，繼而採用試驗方法確定壓氣機葉輪葉片振動疲勞危險部位的疲勞強度，比較不同工況下壓氣機葉輪葉片振動疲勞危險部位的等效應力與葉片的疲勞極限之間的大小並確定壓氣機葉輪葉片振動疲勞壽命評價的有效應力參數，確定出壓氣機葉輪葉片振動疲勞壽命的概率分布特徵和滿足不同可靠度要求的可靠壽命。能夠在渦輪增壓器研製階段對壓氣機葉輪的葉片振動疲勞可靠壽命做出評價，可以更好地指導壓氣機葉輪的結構設計與合理使用。
【專利說明】 一種增壓器壓氣機葉輪葉片振動疲勞可靠壽命評價方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於車用渦輪增壓器壓氣機葉輪結構可靠性與壽命評價方法，具體涉及一種車用渦輪增壓器壓氣機葉輪葉片振動疲勞可靠壽命評價方法。
【背景技術】
[0002]GJB451A-2005《可靠性維修性保障性術語》對任務剖面這一概念進行了描述:產品在完成規定任務這段時間內所經歷的事件和環境的時序描述。
[0003]渦輪增壓器是車用發動機實現功率密度提升和增強高原環境適應性的關鍵部件之一，壓氣機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發動機的可靠性與使用壽命。葉片振動疲勞失效是車用渦輪增壓器壓氣機葉輪的一種重要失效模式。由於車用發動機工作具有典型的「面工況」特點，車用渦輪增壓器的運行通常由多種工況組成，相應地，壓氣機葉輪的工作狀態參數也在不斷變化，壓氣機葉輪存在發生葉片共振的風險。渦輪增壓器在某工況下運行時，當壓氣機葉輪葉片上所受到的激振力頻率與葉片的固有振動頻率接近或成整數倍時，壓氣機葉輪便會發生葉片共振。壓氣機葉輪發生葉片共振時應力急劇增大，並可能超過疲勞極限，最終，葉片在經歷一定的使用壽命後發生疲勞斷裂。壓氣機葉輪一旦發生葉片振動疲勞斷裂，不僅會引起渦輪增壓器的損壞，而且會使發動機無法正常工作。因此，在車用渦輪增壓器研製過程中，針對壓氣機葉輪的葉片振動疲勞失效模式，對壓氣機葉輪葉片振動疲勞可靠性與壽命進行科學評價，不僅能夠及時發現壓氣機葉輪葉片結構上存在的不足，科學地指導壓氣機葉輪葉片的優化設計；而且能夠指導壓氣機葉輪的合理使用，有效地保證車用渦輪增壓器和發動機的使用可靠性。
[0004]現有的車用渦輪增壓器壓氣機葉輪葉片振動評價方法，主要藉助增壓器轉速與葉片振動固有頻率共振線圖，在對壓氣機葉輪葉片振動固有頻率進行分析的基礎上，按照「葉片振動固有頻率大於3.5倍增壓器額定工作轉速」的判據對壓氣機葉片振動可靠性做出評價。然而，這種評價方法沒有考慮壓氣機葉輪葉片疲勞特性及其分散性的影響，不能夠對壓氣機葉輪由於葉片振動引起的疲勞失效模式進行可靠性分析與壽命評價。

【發明內容】

[0005]本發明針對車用渦輪增壓器壓氣機葉輪的特點，提供一種車用渦輪增壓器壓氣機葉輪葉片振動疲勞可靠壽命評價方法。能夠在車用渦輪增壓器研製過程中，根據車用渦輪增壓器的任務剖面以及壓氣機葉輪的工作狀態參數與結構參數，在確定壓氣機葉輪葉片振動疲勞應力與強度的基礎上，得到壓氣機葉輪葉片振動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葉輪葉片振動疲勞可靠壽命。
[0006]本發明技術方案:一種車用渦輪增壓器壓氣機葉輪葉片振動疲勞可靠壽命評價方法，其特徵是包括以下步驟:
[0007]a、確定渦輪增壓器的運行工況與壓氣機葉輪的工作狀態參數；
[0008]b、確定壓氣機葉輪葉片振動疲勞危險部位；[0009]C、確定壓氣機葉輪葉片振動疲勞危險部位的應力參數；
[0010]d、確定壓氣機葉輪葉片振動疲勞危險部位的疲勞強度；
[0011]e、確定壓氣機葉輪葉片振動疲勞壽命評價的有效應力參數；
[0012]f、確定壓氣機葉輪葉片振動疲勞壽命的概率分布特徵；
[0013]g、確定壓氣機葉輪葉片振動疲勞可靠壽命。
[0014]具體地，在步驟a中，結合車用發動機的任務剖面，根據渦輪增壓器與發動機的匹配關係運用仿真計算方法或通過試驗測試，確定出渦輪增壓器的運行工況和不同工況對應的運行時間；進一步，針對渦輪增壓器的每一種運行工況，採用仿真計算或試驗測試方法，確定壓氣機葉輪在不同工況下運行時的工作狀態參數，即壓氣機葉輪的轉速、進口溫度、出口溫度、進口壓力、出口壓力與流量。
[0015]在步驟b中，利用有限元法對壓氣機葉輪葉片振動特性進行分析，確定出壓氣機葉輪長葉片一階振動固有頻率及振型，將葉片一階振動節線位置作為壓氣機葉輪的葉片振動疲勞危險部位。
[0016]在步驟c中，根據步驟a中確定的渦輪增壓器運行工況與壓氣機葉輪工作狀態參數以及步驟b確定的葉片振動疲勞危險部位，確定壓氣機葉輪葉片振動疲勞危險部位對應每一種工況的應力參數，針對第i種工況，首先利用有限元方法確定出壓氣機葉輪的離心載荷、熱載荷和穩態氣動載荷，並對壓氣機葉輪進行非定常流動分析獲得壓氣機葉輪葉片上氣流激振力的幅頻特性；其次，通過對壓氣機葉輪葉片施加離心載荷、熱載荷和穩態氣動載荷確定出壓氣機葉輪葉片振動疲勞危險部位的靜態應力通過對葉片施加氣流激振
力確定出壓氣機葉輪葉片振動疲勞危險部位的交變應力和振動頻率c⑴;然後，按照式
(I)確定出渦輪增壓器在第i種工況下運行時壓氣機葉輪葉片振動疲勞危險部位的等效應力即
【權利要求】
1.一種車用渦輪增壓器壓氣機葉輪葉片振動疲勞可靠壽命評價方法，其特徵是包括以下步驟: a、確定渦輪增壓器的運行工況與壓氣機葉輪的工作狀態參數； b、確定壓氣機葉輪葉片振動疲勞危險部位； C、確定壓氣機葉輪葉片振動疲勞危險部位的應力參數； d、確定壓氣機葉輪葉片振動疲勞危險部位的疲勞強度； e、確定壓氣機葉輪葉片振動疲勞壽命評價的有效應力參數； f、確定壓氣機葉輪葉片振動疲勞壽命的概率分布特徵； g、確定壓氣機葉輪葉片振動疲勞可靠壽命。
2.根據權利要求1所述的渦輪增壓器壓氣機葉輪葉片振動疲勞可靠壽命評價方法，其特徵是:在步驟a中，結合車用發動機的任務剖面，根據渦輪增壓器與發動機的匹配關係運用仿真計算方法或通過試驗測試，確定出渦輪增壓器的運行工況和不同工況對應的運行時間；進一步，針對渦輪增壓器的每一種運行工況，採用仿真計算或試驗測試方法，確定壓氣機葉輪在不同工況下運行時的工作狀態參數，即壓氣機葉輪的轉速、進口溫度、出口溫度、進口壓力、出口壓力與流量。
3.根據權利要求1所述的增壓器壓氣機葉輪葉片振動疲勞可靠壽命評價方法，其特徵是:在步驟b中，利用有限元法對壓氣機葉輪葉片振動特性進行分析，確定出壓氣機葉輪長葉片一階振動固有頻率及振型，將葉片一階振動節線位置作為壓氣機葉輪的葉片振動疲勞危險部位。
4.根據權利要求1所述的增壓器壓氣機葉輪葉片振動疲勞可靠壽命評價方法，其特徵是:在步驟c中，根據步驟a中確`定的渦輪增壓器運行工況與壓氣機葉輪工作狀態參數以及步驟b確定的葉片振動疲勞危險部位，確定壓氣機葉輪葉片振動疲勞危險部位對應每一種工況的應力參數，針對第i種工況，首先利用有限元方法確定出壓氣機葉輪的離心載荷、熱載荷和穩態氣動載荷，並對壓氣機葉輪進行非定常流動分析獲得壓氣機葉輪葉片上氣流激振力的幅頻特性；其次，通過對壓氣機葉輪葉片施加離心載荷、熱載荷和穩態氣動載荷確定出壓氣機葉輪葉片振動疲勞危險部位的靜態應力，通過對葉片施加氣流激振力確定出壓氣機葉輪葉片振動疲勞危險部位的交變應力和振動頻率c(i);然後，按照式(I)確定出渦輪增壓器在第i種工況下運行時壓氣機葉輪葉片振動疲勞危險部位的等效應力4 ,BP


(O 式(I)中的Ob為葉片振動疲勞危險部位的拉伸極限。
5.根據權利要求1所述的增壓器壓氣機葉輪葉片振動疲勞可靠壽命評價方法，其特徵是:在步驟d中，通過在試驗機上對壓氣機葉輪葉片振動疲勞危險部位的取樣進行對稱循環疲勞試驗，即應力比r = -1，並對試驗數據進行統計分析，確定出壓氣機葉輪葉片疲勞壽命對數均值μ1ηΝ和對數標準差σ1ηΝ與應力s之間的關係以及疲勞極限o + gp
l.1 InN = Fu (S)(2) 0InN = F0(S) (3)。
6.根據權利要求1所述的增壓器壓氣機葉輪葉片振動疲勞可靠壽命評價方法，其特徵是:在步驟e中，通過比較步驟c中確定的不同工況下運行時壓氣機葉輪葉片振動疲勞危險部位的等效應力與葉片的疲勞極限σ 之間的大小，並結合步驟a確定的增壓器運行工況，確定出等效應力大於疲勞極限對應的k種工況，將這k種工況對應的應力σ2(/ = 1,..?，幻作為壓氣機葉輪葉片振動疲勞壽命評價的有效應力參數，其振動頻率和運行時間分別為c⑴(i = l,…，k)和 T⑴(i = I,…，k)。
7.根據權利要求1所述的增壓器壓氣機葉輪葉片振動疲勞可靠壽命評價方法，其特徵是:在步驟f中，以發動機任務剖面的循環次數η作為壓機葉輪葉片振動疲勞壽命度量指標，根據線性Miner累積損傷法則，確定壓機葉輪葉片振動疲勞壽命失效模式的極限狀態方程，即

8.根據權利要求1所述的增壓器壓氣機葉輪葉片振動疲勞可靠壽命評價方法，其特徵是:在步驟g中，根據給定的可靠度R*，利用式(8)，令F(n) = 1-R*，通過求解式(9)所示的方程，即
【文檔編號】G06F19/00GK103745132SQ201410044557
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月23日 優先權日:2014年1月23日
【發明者】王正, 王增全, 門日秀, 王阿娜, 張宇飛, 張俊 申請人:中國北方發動機研究所(天津)