发动机风扇盘转速谱编制方法

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32110

Abstract

Abstract:

The fan disk is a critical fracture-prone component in aero-engines. To ensure its operational safety and reliability， it is essential to develop load spectra that accurately reflect operating conditions， which are crucial for fatigue life assessment. This study conducts statistical analysis of single-parameter loading on fan disks based on operational data from two mission types of a specific aero-engine， and develops a median speed spectrum through mission segment analysis methodology. The load spectrum damage was calculated using the SWT （Smith-Watson-Topper） equation and linear cumulative damage theory. Load spectrum similarity analysis was conducted with the DTW （Dynamic Time Warping） method. Based on group tests of TC17 titanium alloy simulated specimens， a damage analysis method based on load spectrum similarity was proposed. The damage of the fleet fan disk rotational speed spectrum was calculated to obtain a set of load spectrum damage samples. Goodness-of-fit tests indicate that the fan disk rotational speed spectrum damage follows a lognormal distribution. The damage corresponding to the median rotational speed spectrum closely approximates the median damage of the fleet rotational speed spectrum， validating the rationality of the spectrum development methodology. This provides critical support for accurately assessing the safe service life of fan disks.

Key words: engine fan disk, speed spectrum, load spectrum development, relative damage, probability distribution

CLC Number:

V231.9

Zhen JIA, Chendi LI, Kunyu WEI, Hongda DONG, Xiaofan HE. Speed spectrum development method for engine fan disk[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(2): 232110.

Figures/Tables 30

Fig.1

Fig.2

Fig.3

Fig.4

Table 1

Duration distribution parameters estimation and goodness-of-fit test results

样本类型	$μ$		$σ$		p
任务剖面	8.119 0		0.288 6		0.267 5
中间段	7.690 7		0.384 1		0.953 7
结束段	5.840 9		0.163 8		0.510 8
起始段	$μ 1$	$σ 1$	$μ 2$	$σ 2$	W₀	W_c
起始段	6.477 8	0.276 1	7.621 4	0.156 7	0.055 6	0.599 8

Table 1

Fig.5

Table 2

Table 3

Number of cycles in middle segment of two types of tasks

任务类型	$n 总$ /次	$T 总$ /s	$T 单次飞行$ /s	$n 单次飞行$ /次
任务1	1 543	129 680	2 261	27
任务2	1 398	145 019	2 267	22

Table 3

Fig.6

Fig.7

Table 4

Load distribution parameters estimation and goodness-of-fit test results

样本类型		$μ$		$σ$	p
起始段首个峰值		224.932 1		38.278 3	0.864 2
起始段剩余峰值		163.945 2		41.791 1	0.313 5
结束段		335.126 7		51.107 5	0.936 2
中间段幅值	$μ 1$	$σ 1$	$μ 2$	$σ 2$	W₀	W_c
中间段幅值	5.558 4	0.077 2	5.935 0	0.079 4	0.017 6	0.527 3
中间段均值	$a 1$	$b 1$	$a 2$	$b 2$	W₀	W_c
中间段均值	2.931 0	55.142 1	3.687 7	140.443 8	0.056 3	0.472 1

Table 4

Fig.8

Fig.9

Table 5

Fig.10

Fig.11

Fig.12

Table 6

Fig.13

Fig.14

Fig.15

Table 7

Table 8

Minimum specimen number verification results for each load spectrum

载荷谱	有效试件数	v_i	v $i'$	v_i<v $i'$
中值谱	8	0.017 4	0.059 8	是
谱1	7	0.022 8	0.054 1	是
谱2	7	0.016 0	0.054 1	是
谱3	6	0.017 2	0.047 6	是
谱4	6	0.023 0	0.047 6	是
谱5	5	0.008 6	0.040 3	是

Table 8

Table 9

Fig.16

Table 10

Table 11

Fig.17

Fig.18

Table 12

Fleet relative damage rate distribution parameter estimation and goodness-of-fit test results

任务

类型

分布参数估计

拟合优度检验

μ

σ

p

p > 0.05

任务1

0.171 5

0.455 5

0.633 1

是

任务2

0.000 7

0.511

0.437 4

是

Table 12

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任务类型	任务剖面总时间/s	任务段	任务段时间占比/%	任务段时间/s
任务1	3 357.6	起飞段	22.07	741
		中间段	67.34	2 261
		降落段	10.59	356
任务2	3 402.7	起飞段	22.10	752
		中间段	66.63	2 267
		降落段	11.27	383

载荷级别	1	2	3	4	5	6
幅值/MPa	32.92	56.75	80.58	104.42	128.25	152.08
均值/MPa	279.58	298.87	319.48	341.48	365.04	390.22

载荷谱	有效试件数	各试件寿命 t/起落	中值寿命 t₅₀/起落	对数寿命标准差S
中值谱	8	3 174，3 939，4 882， 3 946，3 576，4 114， 4 286，3 245	3 860	0.062 6
谱1	7	2 206，1 800，1 915， 2 052，3 027，1 925， 1 946	2 095	0.075 7
谱2	7	3 431，4 387，3 728， 4 593，5 006，3 781， 3 958	4 095	0.057 7
谱3	6	3 309，2 475，2 512， 2 481，2 847，3 263	2 793	0.059 3
谱4	6	3 344，2 863，2 953， 2 603，1 961，2 521	2 672	0.078 9
谱5	5	2 531，2 440，2 268， 2 203，2 173	2 319	0.028 8

载荷谱编号	t₅₀/ 起落	相对损伤D	t_c/起落	误差 E/%	DTW距离
中值谱	3 860	1.071 5	3 822	0.98	77.650 9
谱1	2 095	1.962 0	2 087	0.38	81.495 8
谱2	4 095	1
谱3	2 793	1.301 1	3 147	12.67	118.942 6
谱4	2 672	1.357 0	3 018	12.95	119.519 0
谱5	2 319	2.132 9	1 920	17.21	136.272 8

序号	单次起落DTW值	相对损伤率d	序号	单次起落DTW值	相对损伤率d	序号	单次起落DTW值	相对损伤率d
1	115.513 0	1.731 1	20	121.298 7	1.049 5	39	119.525 9	0.807 4
2	129.874 1	3.132 9	21	126.203 3	2.375 8	40	124.792 4	1.728 6
3	116.832 6	1.646 2	22	114.903 0	1.322 9	41	119.376 5	0.730 8
4	108.926 9	1.078 8	23	132.190 0	1.283 5	42	123.697 8	1.131 3
5	117.589 2	1.143 7	24	119.780 0	0.904 6	43	109.323 5	0.522 3
6	139.565 4	0.793 5	25	112.644 3	0.857 2	44	120.418 4	1.015 9
7	135.366 6	3.210 9	26	109.735 0	0.903 8	45	122.708 6	0.542 9
8	121.245 9	0.718 3	27	118.341 4	1.688 8	46	117.830 4	0.658 0
9	128.187 4	2.213 4	28	130.360 3	2.046 0	47	113.843 3	0.642 8
10	125.481 1	1.672 1	29	118.635 5	2.035 2	48	109.397 2	0.686 5
11	126.862 1	1.360 2	30	127.753 2	2.433 1	49	119.812 5	1.531 3
12	125.193 0	2.229 2	31	112.411 8	1.509 5	50	123.778 4	1.833 2
13	116.843 6	1.789 1	32	122.431 1	1.071 7	51	106.010 7	0.915 3
14	124.267 0	1.165 9	33	113.068 2	0.762 0	52	105.949 8	0.697 2
15	113.260 3	0.845 3	34	124.377 8	1.250 7	53	119.024 0	0.911 8
16	119.385 2	1.056 8	35	122.187 3	0.554 2	54	113.714 6	0.794 1
17	124.651 1	1.158 8	36	115.599 6	0.909 7	55	107.939 0	0.826 4
18	117.439 6	1.221 5	37	135.782 9	2.500 0
19	113.834 7	1.338 2	38	126.080 4	1.532 4

Speed spectrum development method for engine fan disk

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序号	单次起落DTW值	相对损伤率d	序号	单次起落DTW值	相对损伤率d	序号	单次起落DTW值	相对损伤率d
1	125.362 0	1.757 2	22	118.272 3	1.947 6	43	122.077 6	0.679 7
2	117.965 6	2.016 0	23	126.989 3	0.833 9	44	120.048 4	1.497 4
3	106.348 5	0.933 3	24	116.027 5	1.764 6	45	116.309 1	0.569 1
4	105.073 7	2.179 4	25	121.295 6	1.899 3	46	121.614 4	0.655 3
5	110.415 7	1.282 4	26	115.799 3	1.394 9	47	114.169 6	0.578 4
6	132.121 6	2.017 3	27	126.342 8	1.220 6	48	116.886 3	1.574 2
7	144.270 4	0.631 1	28	120.953 1	1.002 5	49	117.299 7	0.563 2
8	119.624 1	1.559 3	29	107.721 5	1.201 8	50	115.539 9	0.937 5
9	129.396 2	0.865 3	30	112.109 7	1.282 7	51	118.852 0	0.623 2
10	109.444 2	1.302 0	31	120.653 8	0.592 1	52	127.062 5	0.568 1
11	129.369 6	1.370 7	32	114.883 8	0.637 6	53	129.286 7	1.664 5
12	114.768 5	1.148 7	33	115.498 0	1.343 7	54	131.830 8	2.403 4
13	112.509 3	1.396 9	34	119.311 8	1.420 0	55	114.039 3	0.498 2
14	119.566 1	0.885 0	35	120.280 7	1.249 0	56	116.796 2	0.775 4
15	107.527 4	1.432 0	36	114.063 0	0.905 4	57	111.850 1	0.686 8
16	124.354 0	0.537 5	37	118.128 9	1.803 0	58	116.912 0	0.439 8
17	124.276 4	1.757 2	38	125.307 5	1.565 5	59	114.445 3	0.730 7
18	120.801 9	2.016 0	39	120.985 2	0.415 7	60	106.023 6	0.541 6
19	110.818 2	0.933 3	40	117.432 5	1.606 6	61	106.338 9	0.658 5
20	118.609 2	2.179 4	41	105.013 9	0.841 8	62	112.377 6	0.699 9
21	125.316 6	1.282 4	42	118.452 2	0.913 9

[1]	XI Wei, LI Qiang, SHEN Peiliang, HE Rui, YANG Gang, LIU Shijie. Full life engineering analysis method for multiple site damage [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2021, 42(5): 524328-524328.
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