[发明专利]一种秸秆抛送叶轮疲劳寿命预测方法

摘要

本发明公开了一种秸秆抛送叶轮疲劳寿命预测方法，包括流固耦合及抛送叶轮应力分析；双参数名义应力模型；抛送叶轮的双参数名义应力模型；Miner疲劳累积损伤模型。本发明的有益效果是：采用双参数(平均应力Sa Sm与应力幅Sa)名义应力模型、Miner疲劳累积损伤模型以及疲劳寿命对数正态分布模型联合的抛送叶轮疲劳寿命预测方法，同时为了准确获得抛送叶轮所受随机循环载荷，采用流固耦合方法对其应力进行计算分析，并以此为依据对抛送叶轮进行疲劳寿命预测。

主权项

1.一种秸秆抛送叶轮疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述预测方法包括以下步骤：步骤A，流固耦合及抛送叶轮应力分析；建立抛送叶轮的有限元模型，并进行网格划分；在Fluent中建立叶片式抛送装置流道模型，采用大涡模拟湍流模型对空载时叶片式抛送装置内非定常流场进行数值模拟，获得单相气流场瞬时脉动压力的变化规律以及叶轮表面的流场压力分布规律；在ANSYS Workbench中利用Fluent+Workbench耦合分析平台将流场数值计算结果中抛送叶轮表面所受气流流场载荷加载到叶轮结构耦合面上，同时加载旋转离心力载荷以及叶轮自重，并施加约束；采用有限元方法计算得到空载时抛送叶轮等效应力云图、最大应力及其位置，在应力最大区域设定应力监测点，并输出运行稳定后监测点应力随时间变化的仿真计算结果；采用DH5909无线应变测试系统对空载时抛送叶轮危险截面的应力进行测试，并与相同位置抛送叶轮应力数值模拟结果比较以验证数值计算的准确性；步骤B，双参数名义应力模型；抛送叶轮属于高周疲劳，在疲劳可靠性设计时，交变最大应力Smax与疲劳寿命N的关系为：式中，m、C为材料常数；按照交变最大应力Smax与平均应力Sm、应力幅Sa的关系，式(1)可以用Sm及Sa的形式表示，即及式中，r为应力比；抛送叶轮是在随机循环载荷下运行的，需对对称循环交变载荷下的S‑N曲线进行修正，选用Goodman公式作为等寿命曲线：式中，Sb为材料的强度极限，S‑1为对称循环载荷下材料的疲劳极限；联立(2)、(3)以及(4)可得Goodman型双参数名义应力方程：选用Gerber公式作为等寿命曲线：同理可求得Gerber型双参数名义应力方程：步骤C，抛送叶轮的双参数名义应力模型；修正后适合抛送叶轮的Goodman型双参数名义应力方程为：修正后适合抛送叶轮的Gerber型双参数名义应力方程为：式中，KS为叶轮的有效应力集中系数；εS为尺寸系数；β为表面质量系数；为叶轮材料对应力循环不对称性的敏感系数；步骤D，Mine疲劳累积损伤模型；线性累积损伤理论即Miner准则认为损伤是线性累积的，当材料承受高于疲劳极限的应力时，每一个循环都使材料产生一定的损伤。对于等幅应力水平(Sa，Sm)作用下的构件，每1次载荷循环所造成的疲劳损伤为1/N(Sa，Sm)，n次循环造成的损伤为：式中，n为实际循环次数，N为应力水平(Sa，Sm)下的破坏循环次数。当n＝N时，D＝1，构件发生疲劳破坏；对于变幅应力水平作用下的抛送叶轮，假设在一个周期内叶轮承受k级不同的应力水平作用，在应力水平(Sai，Smi)作用下经过ni次循环，对应等幅应力水平(Sai，Smi)的疲劳寿命为Ni。则ni次循环造成的疲劳损伤为：当这些损伤累积起来等于1时，叶轮将会发生疲劳破坏；步骤E，疲劳寿命对数正态分布模型；在循环载荷的作用下，叶轮疲劳寿命的分布规律，可以由对数正态概率密度函数来表示：式中，x为疲劳寿命随机变量，μ与σ分别为对数均值与对数标准差。对数正态分布的可靠度函数为：式中，F(x)为对数正态分布的分布函数，为标准正态分布的分布函数。