飛行剖面指南講解

飛行剖面分析指南摘要本備忘錄詳細敘述了將飛行剖面轉換成零-最大循環(huán)的方法，根據這種方法就能將試驗器上的旋轉循環(huán)轉換成使用參考循環(huán)表示的最差疲勞試件的安全循環(huán)疲勞壽命。1.問題的描述要討論的問題是如何以簡單的組合來求得一次特定飛行下，在發(fā)動機的額任一部件中引起的疲勞損傷程度，以便計算關鍵部位低頻循環(huán)疲勞壽命。例如：一軍用飛機，其任務是在一定高度上進行高速機動飛行和低空地面攻擊轉速和壓氣機的出口壓力隨高度的變化如下圖所示：在飛行中，發(fā)動機部件的應力和溫度隨有關的性能參數(shù)而變化。例如盤的應力將隨轉速和溫度梯度而變化，而機匣應力隨壓力和推力而變化。為了進行分析，需要知道在整個典型的飛行過程中所研究的特定截面上的應力和溫度的變化。通過應力分析，如有可能再應用試驗器試驗來證實，通常可以給出那些是危險截面。最理想實在多次飛行中，采用應變片和溫度記錄儀的方法來求得在典型飛行中的應力剖面。

實際上在發(fā)動機飛行時很少使用應變片。但是如果知道有關性能參數(shù)的話，就能夠計算出應力和材料的溫度。在飛行中最好再記錄這些數(shù)據。假如沒有實測的應力和性能參數(shù)可利用例如要分析一臺研制中的發(fā)動機時，性能部門可以計算出在給定高度，馬赫數(shù)和推力時要求的主軸轉速，溫度和壓力。2.飛行換算比飛行換算比是用簡單的參考應力循環(huán)數(shù)來確定，并要求該循環(huán)數(shù)產生和飛行相同的疲勞損傷程度。例如，一次典型的飛行可以和三次參考循環(huán)產生相同的損傷。注意：一個給定的飛行換算比的值并不是單一的，它取決于所選擇的發(fā)動機部件。這一點很多簡單，因為各個部件的應力水平與不同的發(fā)動機參數(shù)有關。通常選擇最危險的疲勞部件（即以參考循環(huán)表示的疲勞壽命最短的部件），并且就引用該部件的換算比。

指定的參考循環(huán)通?；镜膮⒖佳h(huán)按發(fā)動機選定的“疲勞條件”來確定。這種零-最大-零的循環(huán)必須滿足下列要求：（a）在發(fā)動機的壽命期間內有規(guī)則地出現(xiàn)。（b）有關的應力和溫度的應力儲備系數(shù)必須與預計的最差值同一個量級。換算比計算的流程圖飛行剖面表示gH.川起等與時間的關系（皿第丘段）溫度TO時的應力一'A 的/-V 將應力剖面分解成如圖所示\ 的單個循環(huán)，見第&段分解的f\方法1\1 2 34 ????應力在溫度TO時應力在溫度TO時求得材料在溫度TO時的曲線□（見第9段）已知部件所要求的壽命（梭參若循環(huán)表示）將該值畫在材料的S-N曲線，圖上E點.的位苴，再將飛行中部件的應力水平全部乘段幣值4ZB.（見第1液）應力（:溫度TO時）單個循環(huán)應力（:溫度TO時）單個循環(huán)對飛行剖面的各個循環(huán)使用古廳（goodman）圖換算成相當?shù)牧阋蛔钔柩h(huán)（:見第11段）壽命壽命n使用通過宮點的S-N曲線求得部芳的壽命（用零-最大循環(huán)表示）°（見第12段）1 2 3 斗■…單個循環(huán)N/n根據宦義每牛循環(huán)的換算比為N/mN是要求的壽命，飛機換算比是壬（N/n）,它實際上是邁因納（ninersLaw）o〔見第12段）根據發(fā)動機的基本參數(shù)確定飛行剖面初步可以按高度，馬赫數(shù)和天氣確定飛行剖面，或者根據N,N,T,T和高度的飛HL16行記錄來確定，也可以根據應力和溫度記錄來確定。確定部件中的應力水平和材料的溫度用于應力計算和材料溫度的方法根據所用資料的詳細程度而不同。熱應力和溫度數(shù)據可能最難得到。例如對于旋轉輪盤：應力=kl（T輪緣-T內孑L）+K2（轉速）人2材料溫度=尺3（T內孔）+K4（T輪緣）其中Kl,K2,K3和K4是常數(shù)?？紤]極限拉伸強度隨溫度的變化假設在飛行的各點上（在材料溫度T時）的應力水平所引起的疲勞損傷取決于：應力在溫度T時極限拉伸強度應力在溫度T時極限拉伸強度因此只要將所有的應力水平乘以在溫度T』寸極限拉伸強度在溫度T時極限拉伸強度就可以認為整個應力剖面是在溫度T0時產生的?，F(xiàn)在我們就可以得到用應力與時間表示的飛行剖面，在該飛行剖面中，假定所選定的部件溫度均為TO,并且產生的疲勞損傷將不變。模擬的飛行剖面8.1.忽略時間的標度為了模擬飛行剖面,首先假定在兩峰值之間的應力變化的過程和時間可以不考慮,即忽其次假設應力循環(huán)的飛行順序不必考慮,即飛行剖面可以分成彼此間單獨作用的單個循環(huán)?？梢宰C明：選擇最大的應力循環(huán)即能取得最真實的模擬。例如現(xiàn)在我們就得到模擬的飛行剖面，該剖面中包含有幾個單個循環(huán)（順序任意），每個單循環(huán)的形式為：

求疲勞曲線9．1用試驗器的實驗結果來分析研制的發(fā)動機9.1．1鈦合金和鎳基合金的盤S-N曲線（即零-最大應力隨破壞循環(huán)數(shù)而變化的曲線）的確定如下（i）在103循環(huán)時應力等于0.95U.T.S。（ii）在對數(shù)坐標上斜率為（log13）。log4最好和最差試件的S-N最好和最差試件的S-N曲線按以下方法確定：i)i)差的）。最好的疲勞曲線按以往的經驗做出鋼）0.95U.T.S在1000次循環(huán)時,應力為。?95曲（最好的）以及p-（ii）9.1.3軸用于疲勞強度的S-N曲線，它包括有推導的集中系數(shù)和分散度容差的影響。剪應力9.1.4特 對于某些發(fā)動機，習慣上曾使用按實驗數(shù)據獲得的各自的S-N曲線，建議在這種情況下繼續(xù)使用該經驗曲線，以便比較結果。9.2疲勞曲線的溫度修正所使用的疲勞曲線必須適用于選定的基準溫度T（見第7節(jié)），若疲勞結果是在0溫度T時求得的，那么為了正確地估算壽命，則需要將應力乘以下面的系數(shù)，即乘以：在溫度T0時的極限拉伸強度在溫度T時的極限拉伸強度若疲勞曲線是由經驗數(shù)據所確定的，比如說取0.95U.T.S,這時就是使用在溫度T時的U.T.S值。0另外，基準溫度也可以按疲勞數(shù)據的溫度來選定。說明：在換算比的計算中所使用的S-N曲線必須是對于某一特定的發(fā)動機，并已通過試驗器試驗的結果獲得批準循環(huán)壽命所用過的曲線。確定所要求的批準循環(huán)壽命10.1方案階段首先確定部件所要求的壽命，對斯貝MK202發(fā)動機來說，壽命為6000循環(huán)。然后我們按最壞的情況假定試驗器試驗的循環(huán)搜名剛好達到這么多次的循環(huán)，并將此壽命點畫在材料S-N曲線上（B點）（見第9段）現(xiàn)假定所討論的L次飛行剖面與要求的參考循環(huán)數(shù)（即產生破壞的循環(huán)數(shù)）A相當，那么將剖面上的所有應力水平乘以A以后就可以求得真實的應力水平，B其中A實在S-N曲線上，并與所要求的參考循環(huán)數(shù)表示的壽命相對應的應力。10.2試驗階段假如部件已做過試驗，就不需要再假定一個要求的批準循環(huán)壽命，可以將B點直接畫在S-N曲線上。因此在以上兩種情況下，我們都可以得到一組修正的主循環(huán)和次循環(huán)。

11?使用古德曼(Goodman)曲線將次循環(huán)轉換成“零最大”應力循在穩(wěn)態(tài)應力和交變應力的座標圖中，按下列方法求得兩點之間連一直線，即得到每一次循環(huán)的古德曼曲線。(i)所研究的次循環(huán)穩(wěn)態(tài)應力和交變應力分量的坐標點。(ii)穩(wěn)態(tài)應力坐標軸上的極限強度點。該點可根據經驗數(shù)據確定，即取為U,1.1是在基準溫度T0時試件的最小極限拉伸強度。1假定：a二(◎ -c)交變應力osc2maxmin1a二一(c +a)平均應力mean2maxmin及a=零-最大的當量應力

beqv可由通過座標原點作45°直線與古德曼線的交點來得到。b =—EQV土一EQVEQV2 2根據相似三角形UbUb—eqv1.12Ceqv2+bUBmax1.1- 2A Ac-CBmaxBmin2由此：AQ—G)beqvBbeqvIA1.11—bBUMIN這樣就可以得到一組在溫度T時零-最大的應力循環(huán)。他們和原始的飛行0剖面（在各種規(guī)定的溫度下）的疲勞損傷相同。12.在模擬的飛行剖面中由每個循環(huán)引起的疲勞損傷的綜合效應。假如試件在某一應力水平下承受n1次循環(huán)，而該試件破壞循環(huán)數(shù)為N1，n1我們就可以認為疲勞壽命“消耗”了巴。根據目前的知識，由不同的應力水

N1平引起的疲勞損傷度可以疊加在一起，即在n1+n2+……二1時，發(fā)生破壞。N1N2這就是眾所周知的（Miner）定律。假如部件在L次飛行后破壞，而每次飛行中各應力水平循環(huán)一次，那么LLTOC\o"1-5"\h\z++ =1N1N2給定部件破壞時所要求的參考循環(huán)數(shù)為N,