(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111300361.4 (22)申请日 2021.11.04 (71)申请人 南京航空航天大 学 地址 210016 江苏省南京市秦淮区御道街 29号 (72)发明人 孙志刚　贺嘉威　宋迎东　李亚松　 牛序铭　 (74)专利代理 机构 南京瑞弘专利商标事务所 (普通合伙) 32249 代理人 陈国强 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 119/04(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种盘轴一体式整体叶盘结构疲劳寿命分 析方法 (57)摘要 本发明公开了一种盘轴一体式整体叶盘结 构疲劳寿命分析方法， 步骤为： 通过仿真分析方 法得到盘轴一体式整体叶盘结构的危险部位、 应 力分布和应力梯度分布； 进行标准光滑试样、 标 准缺口试样疲劳试验以及常温、 高温材料静拉伸 试验， 并结合仿真分析结果和影响因素修正方 法， 得到考虑平均应力、 应力梯度、 温度等影 响因 素的材料应力 ‑疲劳寿命关系； 进而通过结构疲 劳寿命分析方法进行疲劳损伤累积， 获得盘轴一 体式整体叶盘结构的疲劳寿命。 本发 明将试验结 果、 仿真分析与传统疲劳分析方法相结合， 简单 直观， 步骤清晰， 适用性强。 利用本发明可以保证 空气涡轮起动机和航空发动机的寿命要求， 并为 类似复杂工作构件设计制造提供充分的、 科学的 寿命考核依据。 权利要求书3页 说明书7页 附图2页 CN 114139276 A 2022.03.04 CN 114139276 A 1.一种盘轴一体式整体叶盘结构疲劳寿命分析 方法， 其特 征在于： 包括以下步骤： (1)建立盘轴一体 式整体叶盘结构三维模型， 并进行有限元应力应变分析， 获得盘轴一 体式整体叶盘结构的危险部位、 应力分布和应力梯度分布； (2)对盘轴一体式整体 叶盘结构所用材料开展标准光滑试样疲劳试验， 获得相应材料 的应力比 ‑应力幅值 ‑疲劳寿命关系， 对一般载荷与疲劳寿命进行平均应力修正， 获得应力 幅值‑应力均值 ‑疲劳寿命关系； (3)对盘轴一体式整体 叶盘结构所用的材料开展标准缺口试样疲劳试验， 获得相应材 料的缺口系数 ‑应力‑疲劳寿命关系， 结合步骤(1)得到的应力梯度分布， 对步骤(2)得到的 应力幅值 ‑应力均值 ‑疲劳寿命关系进行应力梯度修正， 获得应力幅 ‑应力均值 ‑应力梯度 ‑ 疲劳寿命关系； (4)对盘轴一体 式整体叶盘结构所用材料开展常温、 高温下的标准试样静拉伸试验， 结 合试验结果， 对步骤(3)得到的应力 幅值‑应力均值 ‑应力梯度 ‑疲劳寿命关系进行温度修 正， 获得综合 考虑平均应力、 应力梯度和温度影响的材 料应力‑疲劳寿命关系； (5)基于步骤(4)获得的材料应力 ‑疲劳寿命关系， 结合构件疲劳寿命分析方法进行疲 劳损伤累积， 获得盘轴一体式整体叶盘结构的疲劳寿命。 2.根据权利要求1所述的盘轴一体式整体叶盘结构疲劳寿命分析方法， 其特征在于： 所 述步骤(1)的具体步骤为： (11)建立盘轴一体式整体叶盘结构三维模型， 通过ANSYS有限元软件对该模型进行有 限元分析， 包括： ①材料属性与单元类型赋予， ②构件建模与网格划分， ③应力应变数据分 析； (12)基于步骤(11)的有限元分析结果， 确定整体叶盘结构的危险部位， 并提取危险部 位附近小范围内节点的坐标 数据和应力应 变数据， 并根据下式计算 危险点处的应力梯度； 其中， σij为应力张量， xk为k方向的长度， i,j,k表示 坐标系方向。 3.根据权利要求1所述的盘轴一体式整体叶盘结构疲劳寿命分析方法， 其特征在于： 所 述步骤(2)的具体步骤为： (21)开展叶盘材料的标准光滑试验件在不同应力比下的应力疲劳寿命实验， 每种应力 比下分别开展三种应力等级疲劳寿命试验， 每个应力等级分别进行三次试验， 取其平均值 作为此应力等级所对应的疲劳寿命； (22)分别对试验结果进行 数据拟合， 得到不同应力比下的应力幅值 ‑疲劳寿命关系： f(R,S,Nf)＝0 其中， R为应力比， S为应力幅值， Nf为疲劳寿命； (23)根据步骤(22)的数据拟合结果得到的材料应力 ‑疲劳寿命关系绘制材料的等寿命 曲线， 根据等寿命曲线对一般载荷与疲劳寿命进行平均应力修正， 获得应力幅值 ‑应力均 值‑疲劳寿命关系： f(Sa,Sm,Nf)＝0 其中， Sa为应力幅值， Sm为应力均值， Nf为疲劳寿命。权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114139276 A 24.根据权利要求1所述的盘轴一体式整体叶盘结构疲劳寿命分析方法， 其特征在于： 所 述步骤(3)的具体步骤为： (31)开展叶盘材料在不同应力比的标准缺口试验件的应力疲劳寿命试验， 每种应力比 下开展不同缺口系数的标准缺口试验件疲劳寿命试验， 其中分别开展三种应力等级疲劳寿 命试验， 每个应力等级开展三次试验， 取其平均值作为此应力等级 所对应的疲劳寿命， 根据 试验结果得到不同应力比下， 不同缺口系数的材 料应力‑疲劳寿命关系； (32)分别 对试验结果进行数据拟合， 得到不同应力比下的缺口系数 ‑应力幅‑疲劳寿命 关系： f(Kt,Sa,Sm,Nf)＝0 其中， Kt为缺口系数， Sa为应力幅值， Sm为应力均值， Nf为疲劳寿命； (33)引入应力梯度影响系数α、 应力梯度影响指数β， 根据步骤(31)和步骤(32)得到 的 试验结果， 对步骤(2)得到的叶盘材 料应力‑疲劳寿命曲线 进行应力梯度修 正： Nf＝N′f 其中， Sa和S′a分别为标准光滑试验件疲劳寿命Nf和由标准缺口试验件疲劳寿命插值的 最大应力梯度为 ηmax条件下疲劳寿命N ′f下的应力幅值； 由此， 获得应力幅值 ‑平均应力 ‑应力梯度 ‑疲劳寿命关系； f(Sa,Sm, α, β, ηmax,Nf)＝0 其中， Sa为应力幅值， Sm为应力均值， α 为应力梯度影响系数、 β 为应力梯度影响指数， ηmax 为最大应力梯度， Nf为疲劳寿命。 5.根据权利要求1所述的盘轴一体式整体叶盘结构疲劳寿命分析方法， 其特征在于： 所 述步骤(4)的具体步骤为： (41)对盘轴一体式整体叶盘所用的材料分别开展常温、 高温条件下的静拉伸试验， 得 到材料在两种温度下应力 ‑应变关系曲线； (42)通过材料在两种温度下的拉伸应力 ‑应变曲线对比， 引入温度修正系数 μ和温度修 正指数ν对步骤(3)中得到应力幅值 ‑平均应力 ‑应力梯度 ‑疲劳寿命关系进行温度修 正： εa＝ ε′a 其中， Sa和S′a分别为常温、 高温标准 光滑试验 件相同应 变幅值 εa, ε′a下的应力幅值； 由此获得综合 考虑平均应力、 应力梯度和温度影响的材 料应力‑疲劳寿命关系： f(Sa,Sm, α, β, ηmax, μ, ν,Nf)＝0 其中， Sa为应力幅值， Sm为应力均值， α 为应力梯度影响系数、 β 为应力梯度影响指数， ηmax 为最大应力梯度， μ为温度修 正系数， ν 为温度修 正指数， Nf为疲劳寿命。 6.根据权利要求1所述的盘轴一体式整体叶盘结构疲劳寿命分析方法， 其特征在于： 所 述步骤(5)的具体步骤为： 根据步骤(1)中得到的盘轴一体式整体叶盘结构的危险部位的应力与步骤(4)中获得 的综合考虑平均应力、 应力 梯度和温度影响的材料应力 ‑疲劳寿命关系， 利用线性疲劳损伤 累积理论， 通过 下式计算分析获得盘轴一体式整体叶盘疲劳寿命： 权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114139276 A 3