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基于SWT模型的概率寿命分析体方法

陆山;夏佳峰

【摘要】为了研究大应力体积对航空发动机轮盘低周循环疲劳破坏的影响,提高轮

盘概率寿命预估精度,针对应变体方法对中、长寿命轮盘预测精度不准的缺陷,提出

基于SWT模型的概率寿命分析体方法.该方法以最大主应变平面为临界面的SWT

模型为基础,结合考虑尺寸效应的体方法,且不需要进行平均应力修正.通过对某风扇

盘进行概率寿命分析,得到的轮盘中值寿命与试验结果吻合良好,预测精度高于应变

点方法、应力修正系数法得到的结果.表明基于SWT模型的概率寿命分析体方法可

以用来预估航空发动机轮盘概率寿命.

【期刊名称】《航空工程进展》

【年(卷),期】2014(005)002

【总页数】5页(P182-186)

【关键词】SWT模型;体方法;尺寸效应;概率;疲劳寿命;轮盘

【作者】陆山;夏佳峰

【作者单位】西北工业大学动力与能源学院,西安710072;西北工业大学动力与能

源学院,西安710072

【正文语种】中文

【中图分类】V232.3

0引言

轮盘是航空发动机的关键件，其主要失效模式为低周循环疲劳失效。影响低周循环

疲劳寿命的主要原因包括尺寸效应、平均应力和多轴效应。在进行轮盘寿命预估时，

采用不同的方法得到的精度也不同。唐俊星等[1]通过随机化的Manson-Coffin公

式，建立考虑载荷、几何分散影响的应变疲劳概率模型，应用响应面法与蒙特卡洛

法结合得到轮盘低循环疲劳寿命的可靠度。李玉春等[2]利用应力场强法对构件进

行寿命估算，效果较为理想，但对于体积的选取依赖经验，且只能得到中值寿命。

唐俊星[3]提出了考虑尺寸效应的应变疲劳寿命可靠性分析方法，对某涡轮盘进行

概率寿命分析，预测结果与试验结果吻合良好，但是采用该方法对某风扇盘进行概

率寿命分析得到的结果远高于其试验寿命。高阳等[4]应用SWT模型对某涡轮盘中

心孔的疲劳寿命进行预测，得到的计算结果与试验结果较接近。SWT模型不需要

考虑平均应力的影响，比较简单，但没有考虑尺寸效应的影响。

为了研究大应力体积对航空发动机轮盘低循环疲劳破坏的影响，提高轮盘概率寿命

预估精度，本文提出基于SWT模型的考虑尺寸效应的概率寿命分析体方法，并预

测某轮盘的疲劳寿命可靠性。

1基于SWT模型的体方法

1.1SWT模型

Socie认为材料低周循环疲劳的断裂形式分为剪切型和拉伸型两种。对于拉伸型破

坏，Socie以最大主应变幅平面为临界面，得到SWT寿命预测模型[5]

(1)

式中：σmax为最大主应变平面上的最大拉应力；Δε1为最大主应变范围；为材料

疲劳强度系数；b为材料疲劳强度指数；材料疲劳延性系数；c为材料疲劳延性指

数。

式(1)的损伤参量中含有应力应变项，可以看作是能量的体现，且与应变概率寿命

模型相比的优点是不需要进行平均应力修正。

1.2损伤参量数据库的建立

根据应变概率寿命模型[1]，本文对SWT模型建立随机化的疲劳寿命概率模型

式中：μ1、μ2为相关系数是λ的标准正态随机变量。

记为SWT损伤参量Pd，针对不同Pd，采用MonteCarlo法模拟得到寿命分布

Nf。为便于工程应用，减少数据操作，将得到的P-N曲线拟合成对数正态分布，

只存储对数正态分布的均值和标准差两个数据，可根据标准正态分布函数计算给定

寿命失效概率。从而可以建立不同损伤参量与对数寿命均值和标准差的数据库。

1.3考虑尺寸效应的疲劳寿命可靠性分析方法

高阳等[4]采用Weibull串联系统理论[6]，以标准试棒为例，将等直棒沿轴向n等

分，推导出每一小块体积失效概率为

Pf(Vi)=1-

(3)

式中：Vi为等直棒等分后每一小块的体积；Vref为标准试棒试验段的总体积；

Pf(Vi)为每一小块体积的失效概率；Pf(Vref)为标准试棒失效概率。

给定寿命条件下，每一小块体积的失效概率可以通过与该体积应力应变状态相同的

等直棒失效概率转换得到。因此，对任何一个复杂受力体，可以划分成许多应力不

等的小子块，在每个小子块内可近似认为是均匀应力应变场。通过式(3)可求得给

定寿命下的每一小子块的失效概率，再根据串联系统理论，求得该复杂受力体失效

概率。

1.4结构等损伤参量体积分级累积

按照式(3)计算小块体积失效概率时，要求每个小子块为近似均匀应力应变场。而

对于复杂结构有限元网格划分的各个单元是比较自然的离散子块，如果单元网格