[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

说明书

本发明公开的基于数字孪生的离心压缩机叶轮疲劳寿命预测方法，包括构建离心压缩机叶轮的数字孪生模型并对离心压缩机叶轮工作过程中进行仿真，获取仿真中最大应力；对离心压缩机叶轮进行实际工作过程测试获取实际工作过程中最大应力；计算仿真与实际工作中最大应力差值，以对数字孪生模型进行更新与修正，根据更新与修正后离心压缩机叶轮最大应力对叶轮材料进行疲劳试验，观察材料断口特征，提取材料疲劳裂纹尺寸信息并利用超高周疲劳寿命预测模型对其进行预测获取疲劳寿命。该方法通过数字孪生模型得到离心压缩机叶轮工作过程中的最大应力，使得疲劳寿命预测结果能够对工况变化进行实时考虑，提高疲劳寿命预测的准确性。

技术领域

本发明涉及机械装备疲劳寿命预测与评估技术领域，具体涉及一种基于数字孪生的离心压缩机叶轮疲劳寿命预测方法。

背景技术

离心压缩机叶轮是一种重要的机械装备，是衡量一个国家工业发展水平的重要标准。离心压缩机叶轮工作环境严酷，受到循环载荷的不断作用，其疲劳寿命将直接影响整个机械系统的工作性能和安全性能。目前，离心压缩机叶轮疲劳寿命预测技术还不够成熟，若不能实现离心压缩机叶轮应力状态的实时监测，则不能准确预测离心压缩机叶轮疲劳寿命。

离心压缩机叶轮实际工况十分复杂，这为准确预测其疲劳寿命带来了极大的困难。大连理工大学的刘淑杰根据ANASYS模拟的结果，应用极限应力曲线及缺口理论，对开式叶轮的疲劳失效特性及疲劳寿命进行了预测。([1]S.J.Liu,C.Liu,Y.W.Hu,S.B.Gao,Y.F.Wang,H.C.Zhang,Fatigue life assessment of centrifugal compressor impellerbased on FEA,Eng.Fail.Anal.60(2016)383-390.[2]C.Liu,S.J.Liu,S.B.Gao,Y.W.Hu,S.X.Zhang,H.C.Zhang,Fatigue life assessment of the centrifugal compressorimpeller with cracks based on the properties of FV520B,Eng.Fail.Anal.66(2016)177-186.)。数字孪生是一种集成多物理、多尺度、多科学属性，具有实时同步，忠实映射，高保真度特性，能够实现物理世界与信息世界交互融合的技术手段，是利用数字技术对物理实体的特征、行为、形成过程和性能等进行描述和建模的过程和方法。数字孪生已经逐渐成为制造和生产过程中的关键技术。国网湖北店里有限检修公司的王浩及同济大学的许海伟等应用数字孪生技术，实现了GIS筒体关键部件的精确建模，并且分析了其温变行为。([3]王浩,许海伟,杜勇,沈小军,董晓虎,姚京松.基于数字孪生模型的GIS筒体关键部件温变行为研究[J].高电压技术,2021,47(05):1584-1594.)。

根据现有的研究成果可知，目前离心压缩机叶轮疲劳寿命预测方法存在严重的不确定性问题，即不能根据实际工况或有限元模拟准确得到离心压缩机叶轮实际工作过程中的应力状态。应力的大小直接决定了疲劳裂纹扩展速率的快慢，进而影响离心压缩机叶轮的疲劳寿命。若不能准确得到离心压缩机工作过程中的应力值，得到的疲劳寿命预测结果会产生较大的偏差。

发明内容

本发明提出了一种基于数字孪生的离心压缩机叶轮疲劳寿命预测方法，解决了前离心压缩机叶轮疲劳寿命预测方法存在严重的不确定性，无法根据实际工况或有限元模拟准确得到离心压缩机叶轮实际工作过程中的应力状态的问题。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于数字孪生的离心压缩机叶轮疲劳寿命预测方法，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场分布状态进行仿真，获取应力场分布状态仿真结果；

S3、从所述应力场分布状态仿真结果中提取最大应力；