本發(fā)明屬于車用增壓器渦輪結(jié)構(gòu)可靠性與壽命評價方法，具體涉及車用徑流式增壓器渦輪葉片葉根疲勞蠕變壽命預(yù)測方法。
背景技術(shù)：
GJB451A-2005《可靠性維修性保障性術(shù)語》對任務(wù)剖面這一概念進行了描述：產(chǎn)品在完成規(guī)定任務(wù)這段時間內(nèi)所經(jīng)歷的事件和環(huán)境的時序描述。
渦輪增壓器是車用發(fā)動機實現(xiàn)功率密度提升和增強高原環(huán)境適應(yīng)性的關(guān)鍵部件。渦輪葉輪是渦輪增壓器的核心零部件之一，其可靠性與壽命直接影響著渦輪增壓器或增壓系統(tǒng)的可靠性。增壓器的渦輪葉輪不僅要具有良好的氣動性能，能夠高效地將發(fā)動機的廢氣能量轉(zhuǎn)化為機械功，而且要求具有足夠的使用壽命和可靠性，滿足渦輪增壓器的使用要求。
車用渦輪增壓器工作時高溫燃氣流經(jīng)渦輪葉片并推動渦輪旋轉(zhuǎn)做功，在此過程中渦輪葉片上承受著熱載荷、氣動載荷和離心載荷的作用。由于車用發(fā)動機運行工況的多變性，增壓器渦輪葉片工作時承受的離心載荷、熱載荷和氣動載荷隨發(fā)動機運行工況的改變在不斷發(fā)生變化。根據(jù)車用徑流式增壓器渦輪葉片所承受的載荷與應(yīng)力特征可知，由疲勞與蠕變交互作用所引起的渦輪葉片葉根斷裂是車用增壓器渦輪葉片的潛在失效模式之一。
增壓器渦輪在工作過程中一旦發(fā)生葉片葉根斷裂，不僅會引起渦輪增壓器的損壞，使發(fā)動機無法正常工作，而且斷裂的葉片還有可能擊穿渦輪箱引起發(fā)動機或車輛其他部件的損壞。因此，在車用渦輪增壓器研制過程中，針對由疲勞與蠕變交互作用所引起的渦輪葉片葉根斷裂失效模式，對增壓器渦輪葉片葉根的疲勞蠕變壽命進行科學(xué)評價，不僅能及時發(fā)現(xiàn)渦輪結(jié)構(gòu)上存在的不足，有效指導(dǎo)增壓器渦輪的優(yōu)化設(shè)計；而且能夠指導(dǎo)渦輪增壓器的使用，合理確定增壓器渦輪的工作壽命，充分保證渦輪增壓器的可靠性與安全性。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明針對車用增壓器渦輪的結(jié)構(gòu)與失效特點，提供車用徑流式增壓器渦輪葉片葉根疲勞蠕變壽命預(yù)測方法。能夠在車用增壓器渦輪研制或使用過程中，根據(jù)增壓器渦輪所匹配發(fā)動機安裝車輛的任務(wù)剖面，在確定增壓器渦輪所匹配發(fā)動機的工作狀態(tài)參數(shù)及其統(tǒng)計特征、增壓器渦輪的工作狀態(tài)參數(shù)及其統(tǒng)計特征、增壓器渦輪葉片葉根失效危險部位的應(yīng)力與溫度參數(shù)以及增壓器渦輪葉片葉根疲勞性能參數(shù)與持久性能參數(shù)的基礎(chǔ)上，確定出以發(fā)動機工作時間為壽命度量指標時增壓器渦輪葉片葉根的疲勞蠕變壽命。
本發(fā)明技術(shù)方案：車用徑流式增壓器渦輪葉片葉根疲勞蠕變壽命預(yù)測方法，其特征是包括以下步驟：
a、確定增壓器渦輪所匹配車用發(fā)動機的工作狀態(tài)參數(shù)及其統(tǒng)計特征；
b、確定增壓器渦輪的工作狀態(tài)參數(shù)及其統(tǒng)計特征；
c、確定增壓器渦輪葉片葉根失效危險部位的應(yīng)力與溫度參數(shù)；
d、確定增壓器渦輪葉片葉根的疲勞性能參數(shù)；
e、確定增壓器渦輪葉片葉根的持久性能參數(shù)；
f、確定增壓器渦輪葉片葉根的疲勞蠕變壽命。
車用徑流式增壓器渦輪葉片葉根疲勞蠕變壽命預(yù)測方法，其特征是包括以下步驟：
a、確定增壓器渦輪所匹配車用發(fā)動機的工作狀態(tài)參數(shù)及其統(tǒng)計特征：結(jié)合增壓器渦輪所匹配車用發(fā)動機安裝車輛的任務(wù)剖面，運用仿真計算方法或通過試驗測試，分別確定出發(fā)動機輸出扭矩、轉(zhuǎn)速和功率隨發(fā)動機工作時間的變化歷程，進一步，采用統(tǒng)計分析的方法，分別確定出發(fā)動機輸出扭矩、轉(zhuǎn)速、功率的概率分布模型，同時，確定出車輛“起動-行駛-停車”工作循環(huán)次數(shù)隨發(fā)動機工作時間的變化規(guī)律，用參數(shù)為λ的泊松隨機過程描述車輛“起動-行駛-停車”工作循環(huán)次數(shù)隨發(fā)動機工作時間的變化規(guī)律；
b、確定增壓器渦輪的工作狀態(tài)參數(shù)及其統(tǒng)計特征：針對步驟a確定的增壓器渦輪所匹配車用發(fā)動機的工作狀態(tài)參數(shù)及其概率特征，根據(jù)渦輪增壓器與發(fā)動機性能匹配關(guān)系，利用仿真計算方法或通過試驗測試，確定出在車輛一次“起動-行駛-停車”工作循環(huán)過程中增壓器渦輪的最高工作轉(zhuǎn)速概率分布模型，確定出發(fā)動機運行單位小時內(nèi)增壓器渦輪工作轉(zhuǎn)速的概率分布模型，確定出發(fā)動機運行單位小時內(nèi)增壓器渦輪的進口氣體平均溫度與出口氣體平均溫度；
c、確定增壓器渦輪葉片葉根失效危險部位的應(yīng)力與溫度參數(shù)：根據(jù)步驟b確定的增壓器渦輪的工作狀態(tài)參數(shù)及其統(tǒng)計特征，利用有限元計算方法，確定出對應(yīng)車輛一次“起動-行駛-停車”工作循環(huán)增壓器渦輪葉片葉根失效危險部位的最大應(yīng)力sw的概率密度函數(shù)fs-w(sw)，確定出發(fā)動機運行單位小時內(nèi)增壓器渦輪葉片葉根失效危險部位的應(yīng)力st的概率密度函數(shù)fs-t(st)，確定出發(fā)動機運行單位小時內(nèi)增壓器渦輪葉片葉根失效危險部位的溫度平均值Tm；
d、確定增壓器渦輪葉片葉根的疲勞性能參數(shù)：根據(jù)增壓器渦輪材料的疲勞性能參數(shù)，確定出如式(1)所示的增壓器渦輪葉片葉根疲勞壽命NF與應(yīng)力s之間的函數(shù)關(guān)系，或者是，通過對增壓器渦輪葉片葉根強度模擬試樣進行疲勞性能測試確定出如式(1)所示的增壓器渦輪葉片葉根疲勞壽命NF與應(yīng)力s之間的函數(shù)關(guān)系；
NF＝FF(s) (1)
e、確定增壓器渦輪葉片葉根的持久性能參數(shù)：根據(jù)增壓器渦輪材料的持久性能參數(shù)，確定出如式(2)所示的增壓器渦輪葉片葉根持久壽命tC同溫度T和應(yīng)力s之間的函數(shù)關(guān)系，或者是，通過對增壓器渦輪葉片葉根強度模擬試樣進行持久性能測試確定出如式(2)所示的增壓器渦輪葉片葉根持久壽命tC同溫度T和應(yīng)力s之間的函數(shù)關(guān)系；
tC＝FC(T,s) (2)
f、確定增壓器渦輪葉片葉根的疲勞蠕變壽命：將步驟a確定的車輛“起動-行駛-停車”工作循環(huán)次數(shù)隨發(fā)動機工作時間的變化規(guī)律參數(shù)λ、步驟c確定的對應(yīng)車輛一次“起動-行駛-停車”工作循環(huán)增壓器渦輪葉片葉根失效危險部位的最大應(yīng)力sw的概率密度函數(shù)fs-w(sw)與發(fā)動機運行單位小時內(nèi)增壓器渦輪葉片葉根失效危險部位的應(yīng)力st的概率密度函數(shù)fs-t(st)以及發(fā)動機運行單位小時內(nèi)增壓器渦輪葉片葉根失效危險部位的溫度平均值Tm、步驟d確定的增壓器渦輪葉片葉根疲勞壽命與應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系和步驟e確定的增壓器渦輪葉片葉根持久壽命同溫度和應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系，代入式(3)，即
確定出以車用發(fā)動機工作時間為壽命度量指標時增壓器渦輪葉片葉根的疲勞蠕變壽命t。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：能夠結(jié)合增壓器渦輪所匹配車用發(fā)動機安裝車輛的任務(wù)剖面，通過確定出發(fā)動機輸出扭矩、轉(zhuǎn)速、功率的概率分布模型以及車輛“起動-行駛-停車”工作循環(huán)次數(shù)隨發(fā)動機工作時間的變化規(guī)律參數(shù)，確定出增壓器渦輪的工作狀態(tài)參數(shù)及其統(tǒng)計特征，利用有限元方法確定出增壓器渦輪葉片葉根失效危險部位的應(yīng)力與溫度參數(shù)，進一步根據(jù)增壓器渦輪葉片葉根的疲勞性能參數(shù)與持久性能參數(shù)，確定出增壓器渦輪葉片葉根的疲勞蠕變壽命。以車用發(fā)動機工作時間作為增壓器渦輪葉片葉根的疲勞蠕變壽命度量指標，能夠直觀地反映增壓器渦輪葉片的可靠性與耐久性水平。本發(fā)明體現(xiàn)了車用增壓器渦輪的結(jié)構(gòu)與失效特點，能夠用于車用徑流式增壓器渦輪葉片的可靠性分析與壽命評價，不僅可以有效地指導(dǎo)增壓器渦輪葉輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，而且能夠用于指導(dǎo)渦輪增壓器使用壽命的評定，進而保證渦輪增壓器在工作過程中的可靠性與安全性。
附圖說明
圖1是車用徑流式增壓器渦輪葉片葉根疲勞蠕變壽命預(yù)測方法流程。
具體實施方式
車用徑流式增壓器渦輪葉片葉根疲勞蠕變壽命預(yù)測方法，其特征是包括以下步驟：
a、確定增壓器渦輪所匹配車用發(fā)動機的工作狀態(tài)參數(shù)及其統(tǒng)計特征：結(jié)合增壓器渦輪所匹配車用發(fā)動機安裝車輛的任務(wù)剖面，運用仿真計算方法或通過試驗測試，分別確定出發(fā)動機輸出扭矩、轉(zhuǎn)速和功率隨發(fā)動機工作時間的變化歷程，進一步，采用統(tǒng)計分析的方法，分別確定出發(fā)動機輸出扭矩、轉(zhuǎn)速、功率的概率分布模型，同時，確定出車輛“起動-行駛-停車”工作循環(huán)次數(shù)隨發(fā)動機工作時間的變化規(guī)律，用參數(shù)為λ的泊松隨機過程描述車輛“起動-行駛-停車”工作循環(huán)次數(shù)隨發(fā)動機工作時間的變化規(guī)律；例如，對某型車用發(fā)動機工作狀態(tài)參數(shù)的統(tǒng)計分析可知，車輛“起動-行駛-停車”工作循環(huán)次數(shù)隨發(fā)動機工作時間的變化可以用參數(shù)λ＝0.75h-1的齊次泊松隨機過程描述；
b、確定增壓器渦輪的工作狀態(tài)參數(shù)及其統(tǒng)計特征：針對步驟a確定的增壓器渦輪所匹配車用發(fā)動機的工作狀態(tài)參數(shù)及其概率特征，根據(jù)渦輪增壓器與發(fā)動機性能匹配關(guān)系，利用仿真計算方法或通過試驗測試，確定出在車輛一次“起動-行駛-停車”工作循環(huán)過程中增壓器渦輪的最高工作轉(zhuǎn)速概率分布模型，確定出發(fā)動機運行單位小時內(nèi)增壓器渦輪工作轉(zhuǎn)速的概率分布模型，確定出發(fā)動機運行單位小時內(nèi)增壓器渦輪的進口氣體平均溫度與出口氣體平均溫度；例如，通過對某型車用增壓器渦輪的工作狀態(tài)參數(shù)測試與統(tǒng)計分析可以確定出，在車輛的一次“起動-行駛-停車”工作循環(huán)過程中增壓器渦輪的最高工作轉(zhuǎn)速服從位置參數(shù)為79800r/min、尺度參數(shù)為96400r/min的極大值分布，發(fā)動機運行單位小時對應(yīng)的增壓器渦輪(的最高)工作轉(zhuǎn)速服從均值為68700r/min、標準差為13159r/min的正態(tài)分布，發(fā)動機運行單位小時增壓器渦輪的進口氣體平均溫度與出口氣體平均溫度分別為625℃和509℃；
c、確定增壓器渦輪葉片葉根失效危險部位的應(yīng)力與溫度參數(shù)：根據(jù)步驟b確定的增壓器渦輪的工作狀態(tài)參數(shù)及其統(tǒng)計特征，利用有限元計算方法，確定出對應(yīng)車輛一次“起動-行駛-停車”工作循環(huán)增壓器渦輪葉片葉根失效危險部位的最大應(yīng)力sw的概率密度函數(shù)fs-w(sw)，確定出發(fā)動機運行單位小時內(nèi)增壓器渦輪葉片葉根失效危險部位的應(yīng)力st的概率密度函數(shù)fs-t(st)，確定出發(fā)動機運行單位小時內(nèi)增壓器渦輪葉片葉根失效危險部位的溫度平均值Tm；例如，根據(jù)某型車用增壓器渦輪的工作轉(zhuǎn)速、進口氣體溫度與出口氣體溫度，通過有限元仿真計算與統(tǒng)計分析可以確定出，對應(yīng)車輛的一次“起動-行駛-停車”工作循環(huán)，增壓器渦輪葉片葉根失效危險部位的最大應(yīng)力fs-w(sw)服從位置參數(shù)為570MPa、尺度參數(shù)為5.9MPa的極大值分布，即
發(fā)動機運行單位小時內(nèi)增壓器渦輪葉片葉根失效危險部位的應(yīng)力fs-t(st)服從均值為467MPa、標準差為26.5MPa的正態(tài)分布，即
發(fā)動機運行單位小時內(nèi)增壓器渦輪葉片葉根失效危險部位的溫度平均值Tm為545℃。
d、確定增壓器渦輪葉片葉根的疲勞性能參數(shù)：根據(jù)增壓器渦輪材料的疲勞性能參數(shù)，確定出如式(3)所示的增壓器渦輪葉片葉根疲勞壽命NF與應(yīng)力s之間的函數(shù)關(guān)系，或者是，通過對增壓器渦輪葉片葉根強度模擬試樣進行疲勞性能測試確定出如式(3)所示的增壓器渦輪葉片葉根疲勞壽命NF與應(yīng)力s之間的函數(shù)關(guān)系；
NF＝FF(s) (3)
例如，某型車用增壓器渦輪采用K418鎳基高溫合金鑄造而成，根據(jù)K418鎳基鑄造高溫合金材料的疲勞性能測試數(shù)據(jù)可以確定出，增壓器渦輪葉片葉根疲勞壽命NF與應(yīng)力s之間的函數(shù)關(guān)系為
e、確定增壓器渦輪葉片葉根的持久性能參數(shù)：根據(jù)增壓器渦輪材料的持久性能參數(shù)，確定出如式(5)所示的增壓器渦輪葉片葉根持久壽命tC同溫度T和應(yīng)力s之間的函數(shù)關(guān)系，或者是，通過對增壓器渦輪葉片葉根強度模擬試樣進行持久性能測試確定出如式(5)所示的增壓器渦輪葉片葉根持久壽命tC同溫度T和應(yīng)力s之間的函數(shù)關(guān)系；
tC＝FC(T,s)(5)
例如，某型車用增壓器渦輪采用K418鎳基高溫合金鑄造而成，根據(jù)K418鎳基鑄造高溫合金材料的持久性能測試數(shù)據(jù)可以確定出，增壓器渦輪葉片葉根持久壽命tC同溫度T和應(yīng)力s之間的函數(shù)關(guān)系為
f、確定增壓器渦輪葉片葉根的疲勞蠕變壽命：將步驟a確定的車輛“起動-行駛-停車”工作循環(huán)次數(shù)隨發(fā)動機工作時間的變化規(guī)律參數(shù)λ、步驟c確定的對應(yīng)車輛一次“起動-行駛-停車”工作循環(huán)增壓器渦輪葉片葉根失效危險部位的最大應(yīng)力sw的概率密度函數(shù)fs-w(sw)與發(fā)動機運行單位小時內(nèi)增壓器渦輪葉片葉根失效危險部位的應(yīng)力st的概率密度函數(shù)fs-t(st)以及發(fā)動機運行單位小時內(nèi)增壓器渦輪葉片葉根失效危險部位的溫度平均值Tm、步驟d確定的增壓器渦輪葉片葉根疲勞壽命與應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系和步驟e確定的增壓器渦輪葉片葉根持久壽命同溫度和應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系，代入式(7)，即
例如，某型車用增壓器渦輪采用K418鎳基高溫合金鑄造而成，增壓器渦輪所匹配車用發(fā)動機安裝車輛“起動-行駛-停車”工作循環(huán)次數(shù)隨發(fā)動機工作時間的變化服從參數(shù)λ＝0.75h-1的齊次泊松隨機過程，對應(yīng)車輛的一次“起動-行駛-停車”工作循環(huán)，渦輪葉片葉根失效危險部位的最大應(yīng)力fs-w(sw)服從位置參數(shù)為570MPa、尺度參數(shù)為5.9MPa的極大值分布，發(fā)動機運行單位小時內(nèi)增壓器渦輪葉片葉根失效危險部位的應(yīng)力fs-t(st)服從均值為467MPa、標準差為26.5MPa的正態(tài)分布，發(fā)動機運行單位小時內(nèi)增壓器渦輪葉片葉根失效危險部位的溫度平均值Tm為545℃，增壓器渦輪葉片葉根疲勞壽命NF與應(yīng)力s之間的函數(shù)關(guān)系如式(4)所示，增壓器渦輪葉片葉根持久壽命tC同溫度T和應(yīng)力s之間的函數(shù)關(guān)系如式(6)所示，將上述參數(shù)代入式(7)，即
可以確定出以車用發(fā)動機工作時間為壽命度量指標時增壓器渦輪葉片葉根的疲勞蠕變壽命t為71727小時。