[发明专利]基于数字孪生的离心压缩机叶轮疲劳寿命预测方法

权利要求书

1.一种基于数字孪生的离心压缩机叶轮疲劳寿命预测方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、构建离心压缩机叶轮的数字孪生模型；

S2、利用所述离心压缩机叶轮的数字孪生模型对离心压缩机叶轮工作过程中的应力状态进行仿真，获取应力场分布仿真结果；

S3、从所述应力场分布仿真结果中提取最大应力；

S4、对离心压缩机叶轮进行实际工作过程测试，并对实际工作过程中所述离心压缩机叶轮的应力场进行实时监测，提取实际工作过程中的最大应力；

S5、将所述仿真结果中最大应力与所述实际工作过程中的最大应力进行比较获得最大应力差值，根据所述最大应力差值对所述离心压缩机叶轮数字孪生模型进行更新与修正，并得到更新与修正后的离心压缩机叶轮最大应力；

S6、根据所述更新与修正后的离心压缩机叶轮最大应力对离心压缩机叶轮材料进行疲劳试验，检测离心压缩机叶轮材料断口特征，提取离心压缩机叶轮材料疲劳裂纹尺寸信息；

S7、根据所述更新与修正后的离心压缩机叶轮最大应力与所述离心压缩机叶轮材料疲劳裂纹尺寸信息，利用超高周疲劳寿命预测模型对所述离心压缩机叶轮进行预测获取所述离心压缩机叶轮疲劳寿命。

2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的离心压缩机叶轮疲劳寿命预测方法，其特征在于：所述S1包括以下步骤：

S10、应用地面激光雷达技术对离心压缩机叶轮盖盘、底盘及叶轮的三维尺寸进行测量，得到离心压缩机叶轮点云数据，将点云数据导入CAD软件中得到离心压缩机叶轮三维模型；

S11、查询离心压缩机叶轮材料性能参数，获取离心压缩机叶轮实际工况参数与环境参数；

S12、根据所述离心压缩机叶轮三维模型和材料性能参数，建立统一的离心压缩机叶轮数字孪生模型，将实际工况参数与环境参数以及各个参数在实际运行过程中的物理关系输入到统一的离心压缩机叶轮数字孪生模型中，进行实时仿真计算，获得离心压缩机叶轮应力场分布仿真结果；

S13、对离心压缩机叶轮实际工作过程中的应力场分布状态进行实时监测，提取实际工作过程中的最大应力数据，并与所述仿真结果进行比较，得到二者之间的差值；

S14、根据所述差值对所述统一的离心压缩机叶轮数字孪生模型进行更新与修正，从而得到具有实时特性的离心压缩机叶轮数字孪生模型。

3.根据权利要求2所述的基于数字孪生的离心压缩机叶轮疲劳寿命预测方法，其特征在于：所述离心压缩机叶轮材料性能参数至少包括离心压缩机盖盘、底盘及叶轮所用材料的牌号及力学性能；

所述的实际工况参数与环境参数至少包括离心压缩机的工作转数、载荷频率、温度、入口/出口压力以及气体介质种类。

4.根据权利要求2所述的基于数字孪生的离心压缩机叶轮疲劳寿命预测方法，其特征在于：所述物理关系至少包括离心压缩机叶轮叶片与气体介质之间的作用力、离心压缩机叶轮工作过程中产生的离心力、离心压缩机叶轮叶片应力与损伤之间的关系；

所述的离心压缩机叶轮数字孪生模型包括空气动力学模型、应力分析模型以及应力场分布模型。

5.根据权利要求1所述的基于数字孪生的离心压缩机叶轮疲劳寿命预测方法，其特征在于：所述离心压缩机叶轮材料疲劳试验中所用的材料应取自实际工况中的离心压缩机叶轮；试验中的载荷频率应与离心压缩机叶轮实际工作过程中的载荷频率一致；所述的离心压缩机叶轮材料断口特征至少包括表面损伤特征、内部损伤特征、裂纹源能谱分析；所述的疲劳裂纹尺寸信息至少包括表面粗糙度信息和内部夹杂物尺寸信息。

6.根据权利要求1所述的基于数字孪生的离心压缩机叶轮疲劳寿命预测方法，其特征在于：所述超高周疲劳寿命模型包括萌生寿命模型与扩展寿命模型，表示为：

式中，N为离心压缩机叶轮疲劳寿命，ΔK_th为裂纹萌生门槛值，E与G分别为离心压缩机叶轮弹性模量与剪切模量，Δσ_max是离心压缩机叶轮实际工作过程中的最大应力，σ为离心压缩机叶轮材料的疲劳强度，C与m为离心压缩机叶轮材料参数，β与π是模型常数，a为疲劳裂纹尺寸。