[发明专利]一种用于重复使用火箭发动机涡轮泵的高低周复合疲劳寿命预测方法

说明书

高低周复合疲劳是重复使用火箭发动机涡轮泵的一种重要的失效形式，目前常用的线性累积损伤模型用于高低周复合疲劳寿命预测时未考虑载荷之间的相互影响和载荷历程的影响。为此本发明提出了一种重复使用火箭发动机涡轮泵的高低周复合疲劳寿命预测方法，在单个载荷块内考虑了低周载荷和高周载荷之间相互影响，在线性累积损伤模型的基础上引入附加损伤；在多个载荷块之间考虑载荷历程的影响，引入修正因子对载荷块损伤进行修正。本发明更符合高低周复合疲劳机理，可快速预测重复使用火箭发动机涡轮泵的高低周复合疲劳寿命，还可用于高低周复合加载下材料或其它部件的疲劳寿命预测和评估，提高了在高低周复合载荷下的寿命预测和评估的准确性与可靠性。

技术领域

本发明属于材料或部件的疲劳寿命预测技术领域，特别涉及一种用于重复使用火箭发动机涡轮泵的高低周复合疲劳寿命预测方法。

背景技术

近几年国内外大力发展可回收火箭以便重复使用降低成本，重复使用的火箭发动机涡轮泵在工作过程中承受着高速转动产生的离心载荷以及温度分布不均匀造成的温度载荷，这些载荷在单次工作中属于静态载荷，但是重复使用使得这些静态载荷变为周期载荷，并且由于这些载荷幅值较高会导致低周疲劳失效。在这些载荷上还叠加有高频低幅值的振动载荷，振动载荷远小于疲劳极限会导致高周疲劳失效。单一地将高周疲劳或低周疲劳作为强度设计和寿命估算的依据，不能有效地反映出重复使用火箭发动机涡轮泵在多次回收使用工作中的损伤过程。在这些部件的寿命研究过程中，为反映实际工作载荷中的损伤、更加准确地预测部件寿命，考虑高低周复合疲劳地作用尤为必要。

现有疲劳损伤累积理论分为线性累积理论和非线性累积理论。非线性累积损伤理论基于不同原理，形式繁多，只适用于特定情况，适用性和可靠性等方面有待验证，并且大部分需要试验参数，公式较为复杂在工程上难以应用。线性累积损伤模型形式简洁，计算效率高，不需要额外的材料参数，在工程上应用广泛。对于高低周复合疲劳寿命预测，在实际工程中常常使用Miner线性累积损伤模型进行计算，但是该方法由于线性叠加假设和应力之间互不影响假设，导致了试验与理论有一定误差，理论预测寿命结果比试验寿命结果偏危险。考虑高低周复合载荷特征，线性累积损伤模型的误差主要有两方面：一是在载荷块中没有考虑复合载荷中低周载荷和高周载荷之间的相互影响；二是在载荷块之间没有考虑载荷历程影响，忽略了前面载荷对后续循环的影响。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，解决目前不能较为准确地进行金属材料或构件特别是重复使用火箭发动机涡轮泵这种十分重要的部件在高低周复合载荷下的寿命预测和评估问题，本发明的目的在于提供一种用于重复使用火箭发动机涡轮泵的高低周复合疲劳寿命预测方法，该方法在线性累积损伤模型的基础上通过载荷块内引入附加损伤和载荷块间引入修正因子，考虑了低周载荷和高周载荷的相互影响和载荷历程的影响，使得损伤计算更加符合高低周复合疲劳机理，提高了重复使用火箭发动机涡轮泵或者在高低周复合载荷下工作的金属材料和其他构件的寿命预测和评估的准确性与可靠性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于重复使用火箭发动机涡轮泵的高低周复合疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：

步骤1)，基于线性累积损伤模型，对高低周复合疲劳试验载荷谱中单个载荷块内低周疲劳损伤D_L和高周疲劳损伤D_H分别进行计算；

步骤2)，在单个载荷块内考虑低周载荷和高周载荷之间相互影响，引入附加损伤D_a对单个载荷块内损伤进行修正，即单个载荷块的损伤D_B表示为低周疲劳损伤D_L、高周疲劳损伤D_H和附加损伤D_a三部分之和，即D_B＝D_L+D_H+D_a；

步骤3)，在多个载荷块之间考虑载荷历程的影响，以载荷块为基本单元引入修正因子f对载荷块损伤D_B进行修正，得到载荷块复合损伤D_C；