專利名稱：一種渦輪盤結(jié)構(gòu)概率設(shè)計(jì)系統(tǒng)的構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
渦輪盤結(jié)構(gòu)概率分析作為一種可量化風(fēng)險(xiǎn)的分析方法在高性能航空燃?xì)鉁u輪發(fā) 動(dòng)機(jī)中逐漸得到應(yīng)用。本發(fā)明涉及一種渦輪盤結(jié)構(gòu)概率設(shè)計(jì)系統(tǒng)(即T-PDS)的構(gòu)建方法， 屬于航空航天技術(shù)中的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的渦輪盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法是基于確定性設(shè)計(jì)參數(shù)基礎(chǔ)上的，假設(shè)結(jié)構(gòu)所有的特 征參數(shù)為確定值的前提下對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力或壽命分析，然后用一個(gè)安全系數(shù)來估計(jì)隨機(jī)因 素對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響。由于渦輪盤失效后果不可想象，因此設(shè)計(jì)過程中為了保證該核心部 件正常工作，通常假定足夠大的安全系數(shù)，此舉雖然能夠減少結(jié)構(gòu)失效的機(jī)率，但并不能絕 對(duì)防止失效的發(fā)生，更重要的是該措施造成設(shè)計(jì)過于保守，不但導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重量的增加和材 料的浪費(fèi)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高更是極為不利。針對(duì)確定性設(shè)計(jì)方法的缺陷，提出了概率設(shè) 計(jì)的概念。概率設(shè)計(jì)又稱為可靠性設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方法認(rèn)為，作用于結(jié)構(gòu)的真實(shí)外載荷及結(jié) 構(gòu)的真實(shí)承載能力，都是概率意義上的量，設(shè)計(jì)時(shí)不可能予以精確的值，稱為隨機(jī)變量或隨 機(jī)過程，它服從一定的分布。以此為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠與客觀實(shí)際情況更好的符 合。概率設(shè)計(jì)可以量化風(fēng)險(xiǎn)，確定渦輪盤在一定置信區(qū)間內(nèi)的可靠度，從而使渦輪盤結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)滿足可靠性要求。同時(shí)對(duì)渦輪盤進(jìn)行概率設(shè)計(jì)的一個(gè)很突出的優(yōu)點(diǎn)是能夠減輕渦輪盤的 重量，降低成本，從而達(dá)到提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能(推重比)的目的。由此可見，概率設(shè)計(jì)可同時(shí) 滿足發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件設(shè)計(jì)提高性能和提高可靠性的雙重要求，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值和實(shí)際
眉、o目前國外已經(jīng)研制出甚至達(dá)到可用度較高的概率設(shè)計(jì)系統(tǒng)，如GE的轉(zhuǎn)子概率設(shè) 計(jì)系統(tǒng)(PRDS)等，而我國在這方面的研究起步較晚，還處于概率設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的研 究階段。所以目前針對(duì)渦輪盤結(jié)構(gòu)的概率設(shè)計(jì)系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)還未見文獻(xiàn)記載。
發(fā)明內(nèi)容
1、目的:本發(fā)明的目的是為了提供一種渦輪盤結(jié)構(gòu)概率設(shè)計(jì)系統(tǒng)的構(gòu)建方法，該方法為設(shè) 計(jì)人員提供一個(gè)概率設(shè)計(jì)的平臺(tái)，它提高渦輪盤的設(shè)計(jì)水平，從而提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。2、技術(shù)方案見圖1，本發(fā)明從渦輪盤概率設(shè)計(jì)流程出發(fā)，集成如參數(shù)化特征建模、概率分析方 法、載荷譜處理、參數(shù)假設(shè)檢驗(yàn)等自行開發(fā)程序和UG、MATLAB、ANSYS等設(shè)計(jì)、分析軟件，選 擇低循環(huán)疲勞和疲勞-蠕變耦合失效模式作為系統(tǒng)的典型失效模式，形成了一套渦輪盤結(jié) 構(gòu)概率設(shè)計(jì)系統(tǒng)(T-PDS)。本發(fā)明一種渦輪盤結(jié)構(gòu)概率設(shè)計(jì)系統(tǒng)的構(gòu)建方法，其特征在于步驟一分析渦輪盤結(jié)構(gòu)概率設(shè)計(jì)流程，渦輪盤概率設(shè)計(jì)需要收集渦輪盤試驗(yàn)數(shù) 據(jù)和外場使用數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，確定渦輪盤初始模型參數(shù)和邊界條件后，選定其典型失效模式進(jìn)行可靠性分析，最后通過流程輔助與設(shè)計(jì)決策體系輔助設(shè)計(jì)過程并最終 評(píng)判設(shè)計(jì)方案。對(duì)概率設(shè)計(jì)流程的分析與拆解，確定了概率設(shè)計(jì)流程的系統(tǒng)功能模型，見圖 6，包括幾何建模、隨機(jī)變量定義、載荷譜、失效模式分析和設(shè)計(jì)決策主要功能。步驟二 將典型渦輪盤結(jié)構(gòu)分解為輪盤子午面和榫槽兩部分，分別對(duì)其提取特征 參數(shù)，完成參數(shù)化特征建模。針對(duì)參數(shù)化模型，利用VC6.0為開發(fā)平臺(tái)，采用UG OPEN/API 對(duì)三維建模軟件UGNX進(jìn)行外部開發(fā)，實(shí)現(xiàn)典型渦輪盤結(jié)構(gòu)的參數(shù)化特征建模工具。參數(shù)化 特征建模工具為渦輪盤結(jié)構(gòu)概率設(shè)計(jì)系統(tǒng)提供了可不斷修改的模型，為概率設(shè)計(jì)提供了基 本保障。步驟三將渦輪盤常用材料以電子表格形式保存，采用面向?qū)ο蟮腛LE技術(shù)開發(fā) 材料庫工具，以宏文件的方式提供給有限元分析軟件，形成渦輪盤常用材料庫工具。本工具 不僅能夠提供彈性模量、泊松比、線膨脹系數(shù)等基本材料參數(shù)的需求，同時(shí)將循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變 曲線采用下列Ramberg-Osgood方程(3_1)表示，并對(duì)其隨機(jī)化處理，為整個(gè)系統(tǒng)完成渦輪 盤概率設(shè)計(jì)提供了確定性材料和隨機(jī)化材料。 式中A e t——應(yīng)變范圍；A o-應(yīng)力范圍；E——彈性模量K'——循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)；n'——循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)。步驟四集成雨流計(jì)數(shù)程序，處理基準(zhǔn)載荷譜，為低循環(huán)分析提供主次循環(huán)載荷參 數(shù)，同時(shí)集成MATLAB的數(shù)據(jù)處理函數(shù)，基本實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的數(shù)據(jù)處理能力，能夠完成對(duì)外場數(shù) 據(jù)分布類型的點(diǎn)參估計(jì)、區(qū)間估計(jì)和假設(shè)檢驗(yàn)。步驟五在考慮載荷隨機(jī)和材料隨機(jī)的基礎(chǔ)上，對(duì)于Masson-coffin應(yīng)變壽命模 型(5-1)不僅保留了傳統(tǒng)的假設(shè)疲勞參數(shù)為正態(tài)分布的做法，而且對(duì)應(yīng)變壽命模型的異方 差特性進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的異方差回歸處理，提供應(yīng)變壽命模型的異方差 可靠性模型。疲勞蠕變耦合概率分析中，采用雙參數(shù)特性(5-2)表征的疲勞蠕變耦合函數(shù)。 式中A e t——應(yīng)變范圍；of'—疲勞強(qiáng)度系數(shù)；E——彈性模量；b——疲勞強(qiáng)度指數(shù)；ef'——疲勞延性系數(shù)；c——疲勞延性指數(shù)；Nf——失效循環(huán)數(shù)。 式中Df——疲勞損傷；
D?！渥儞p傷；e17 e2—材料參數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定。步驟六以任務(wù)為基本單元，以渦輪盤概率設(shè)計(jì)流程為渦輪盤結(jié)構(gòu)概率設(shè)計(jì)系統(tǒng) 核心的原則，搭建渦輪盤結(jié)構(gòu)概率設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，為概率設(shè)計(jì)過程提供數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù) 支持。系統(tǒng)的任務(wù)是按照流程自動(dòng)建立的，數(shù)據(jù)庫中自動(dòng)記錄用戶的操作任務(wù)，只有完成了 上一步的操作，下一步的任務(wù)模塊才會(huì)在系統(tǒng)工程樹列表中顯示出來，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)將概率 設(shè)計(jì)流程顯示到實(shí)時(shí)顯示窗口中，以紅色標(biāo)記已經(jīng)完成的任務(wù)，實(shí)時(shí)提醒設(shè)計(jì)人員。渦輪盤結(jié)構(gòu)概率設(shè)計(jì)系統(tǒng)利用后臺(tái)命令A(yù)PDL集成ANSYS作為有限元分析平臺(tái)，集 成UGNX實(shí)現(xiàn)三維建模，集成自開發(fā)參數(shù)化特征建模工具實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，集成自開發(fā)材料 工具實(shí)現(xiàn)隨機(jī)化材料，集成MATLAB實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，集成自開發(fā)雨流計(jì)數(shù)程序?qū)崿F(xiàn)基準(zhǔn)載荷 譜處理，并以SQL SERVER2000數(shù)據(jù)庫作為提供全局?jǐn)?shù)據(jù)支持。通過上述方法和步驟，開發(fā) 的渦輪盤結(jié)構(gòu)概率設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括參數(shù)化特征建模、隨機(jī)變量定義、材料管理、載荷定義、參 數(shù)假設(shè)檢驗(yàn)、響應(yīng)面處理、流程選擇、壽命計(jì)算、設(shè)計(jì)決策、二維優(yōu)化、三維應(yīng)力應(yīng)變分析、破 裂轉(zhuǎn)速概率分析、低循環(huán)疲勞概率分析、疲勞-蠕變耦合概率分析等功能模塊，各個(gè)模塊即 獨(dú)立存在又相互關(guān)聯(lián)，共同構(gòu)成渦輪盤概率設(shè)計(jì)流程。設(shè)計(jì)人員即可以選擇利用單獨(dú)一個(gè) 模塊，也可以選擇整個(gè)流程進(jìn)行概率設(shè)計(jì)。所述參數(shù)化特征建模是自開發(fā)典型渦輪盤結(jié)構(gòu)的參數(shù)化特征建模工具，包括輪盤 子午面設(shè)計(jì)和榫槽截面設(shè)計(jì)兩部分，其靜態(tài)用例圖如圖7(a)所示；所述材料管理是自開發(fā)渦輪盤常用材料庫工具，根據(jù)設(shè)計(jì)分析需要分別提供基本 材料參數(shù)和隨機(jī)化應(yīng)力應(yīng)變曲線，其靜態(tài)用例圖如圖8(b)所示；所述載荷定義是不僅包括轉(zhuǎn)速等基本信息的定義，也集成雨流計(jì)數(shù)方法對(duì)基準(zhǔn)載 荷譜的處理，其靜態(tài)用例圖如圖8(a)所示；所述參數(shù)假設(shè)檢驗(yàn)是集成MATLAB的數(shù)據(jù)處理函數(shù)，完成對(duì)數(shù)據(jù)假設(shè)檢驗(yàn)；所述響應(yīng)面處理是集成高精度CVT抽樣方法；所述流程選擇是設(shè)計(jì)人員在分析中選擇需要適用的流程；所述壽命計(jì)算是集成自開發(fā)低循環(huán)疲勞壽命公式計(jì)算工具和疲勞_蠕變耦合壽 命計(jì)算工具。3、功效及優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明一種渦輪盤結(jié)構(gòu)概率設(shè)計(jì)系統(tǒng)(T-PDS)的構(gòu)建方法，通過完成對(duì)渦輪盤結(jié) 構(gòu)概率系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，為渦輪盤的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)可以進(jìn)行概率化設(shè)計(jì)的平臺(tái)。較傳 統(tǒng)確定性設(shè)計(jì)相比，T-PDS系統(tǒng)針對(duì)渦輪盤設(shè)計(jì)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程采用可靠性進(jìn)行約 束，能夠在提升性能和保證可靠性的情況下，顯著的降低渦輪盤的重量，量化風(fēng)險(xiǎn)。
圖1為渦輪盤概率設(shè)計(jì)流程圖；圖2為簡化的系統(tǒng)分析流程圖；圖3為渦輪盤單失效模式分析流程圖；圖4為系統(tǒng)活動(dòng)模型圖；圖5為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行任務(wù)分析時(shí)，系統(tǒng)的處理機(jī)制；
6
圖6為系統(tǒng)功能圖；圖7 (a)為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行參數(shù)化建模時(shí)的靜態(tài)用例圖；圖7 (b)為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行參數(shù)化建模模塊流程圖；圖8(a)為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行載荷定義時(shí)的靜態(tài)用例圖；圖8 (b)為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行材料定義時(shí)的靜態(tài)用例圖；圖9為材料定義模型系統(tǒng)流程圖；圖10為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行二維渦輪盤優(yōu)化時(shí)系統(tǒng)靜態(tài)用例圖；圖11為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行渦輪盤三維應(yīng)力應(yīng)變分析時(shí)系統(tǒng)靜態(tài)用例圖；圖12為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行渦輪盤破裂轉(zhuǎn)速概率分析時(shí)系統(tǒng)靜態(tài)用例圖；圖13為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行渦輪盤低循環(huán)疲勞概率分析時(shí)系統(tǒng)靜態(tài)用例圖；圖14為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行渦輪盤疲勞_蠕變耦合概率分析時(shí)系統(tǒng)靜態(tài)用例圖；圖15為低循環(huán)疲勞概率分析和疲勞蠕變耦合概率分析系統(tǒng)流程圖；圖16為系統(tǒng)任務(wù)機(jī)制流程圖；圖17為系統(tǒng)的架構(gòu)模式；圖18為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的E-R模型。圖中代號(hào)說明如下圖1中0為確定性優(yōu)化分析，L1為確定性載荷，B為破裂轉(zhuǎn)速，M為耦合失效模式 的概率分析，N為屈服概率分析，R其他失效模式的概率分析，K為專家知識(shí)庫；圖3中ANSYS為有限元分析軟件；圖4中AO為載荷定義，A1為材料定義，A2為設(shè)計(jì)決策，A3為幾何建模，A4為三 維應(yīng)力應(yīng)變分析，A5為破裂轉(zhuǎn)速概率分析，A6為低循環(huán)疲勞概率分析，A7疲勞蠕變耦合概 率分析，M0為三維建模軟件UGNX，Ml為有限元分析軟件ANSYS，M2為計(jì)算機(jī)環(huán)境；圖6中ANSYS為有限元分析軟件，Monto-Carlo為蒙特卡洛抽樣方法；圖7(a)、7(b)及圖10、11、12中:ANSYS為有限元分析軟件，UG為三維建模軟件;圖13中MaSS0n-C0ffin為曼森柯芬公式，Miner為邁耶線性累計(jì)損傷理論， Goodman為疲勞極限線圖；圖15中MATLAB為數(shù)學(xué)分析軟件。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明一種渦輪盤結(jié)構(gòu)概率設(shè)計(jì)系統(tǒng)的構(gòu)建方法，該方法具體步驟如下步驟一見圖1，渦輪盤結(jié)構(gòu)概率設(shè)計(jì)流程包括確定性優(yōu)化分析，三維應(yīng)力/應(yīng)變 分析，材料屬性，載荷，破裂轉(zhuǎn)速概率分析，失效模式概率分析，設(shè)計(jì)決策和專家知識(shí)庫等部 分，總結(jié)流程數(shù)據(jù)流動(dòng)可以看出，見圖2，整個(gè)渦輪盤結(jié)構(gòu)概率設(shè)計(jì)流程是一個(gè)設(shè)計(jì)模型、分 析模型和再修改模型、分析模型的過程。其中設(shè)計(jì)模型見步驟二，分析模型過程見圖3所 示，對(duì)模型施加載荷和邊界條件，進(jìn)行單失效模式確定性分析，之后完成隨機(jī)變量定義、概 率方法選擇，進(jìn)行可靠性分析，并通過準(zhǔn)則對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。分析渦輪盤結(jié)構(gòu)概率設(shè)計(jì) 流程，獲得系統(tǒng)的詳細(xì)活動(dòng)模型圖，見圖4，從載荷、材料和幾何模型入手，加入設(shè)計(jì)決策的 約束，按照概率設(shè)計(jì)流程進(jìn)行三維應(yīng)力應(yīng)變分析、破裂轉(zhuǎn)速概率分析、低循環(huán)疲勞概率分析 和疲勞蠕變耦合概率分析，最終得到滿足設(shè)計(jì)決策的渦輪盤模型。將系統(tǒng)的活動(dòng)模型圖轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的功能圖，從而確定了渦輪盤結(jié)構(gòu)概率設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能模型，見圖6。系統(tǒng)功能模 型包括載荷譜，隨機(jī)變量定義，幾何建模，優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定性分析，概率響應(yīng)分析，失效模式 分析，設(shè)計(jì)決策，數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)幫助等幾個(gè)主要功能。步驟二 本步驟實(shí)施前提需操作系統(tǒng)安裝三維建模軟件UGNX，同時(shí)需要步驟三提 供的材料宏文件。分析圖4系統(tǒng)活動(dòng)模型中的A3模塊，輸入尺寸參數(shù)和材料參數(shù)，分別獲 得三維UG模型和ANSYS模型。參數(shù)化建模模塊流程圖見圖7 (b)，T-PDS系統(tǒng)將典型渦輪盤 結(jié)構(gòu)分解為輪盤子午面和榫槽兩部分，分別對(duì)其提取特征參數(shù)，通過三維建模軟件UGNX提 供的表達(dá)式功能完成典型渦輪盤結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模。針對(duì)參數(shù)化模型，利用Visual C++6. 0 為開發(fā)平臺(tái)，采用UG OPEN/API對(duì)三維建模軟件UGNX進(jìn)行外部開發(fā)，實(shí)現(xiàn)典型渦輪盤結(jié)構(gòu) 的參數(shù)化特征建模工具。同時(shí)參數(shù)化特征建模工具利用APDL語言集成有限元分析軟件 ANSYS，以PARAS0LID格式作為三維建模軟件與有限元分析軟件的接口，實(shí)現(xiàn)兩種軟件之間 的數(shù)據(jù)傳遞，同時(shí)調(diào)用步驟三保存在數(shù)據(jù)庫中的材料宏文件，使得參數(shù)化特征建模工具能 夠提供DB格式的有限元分析模型，為渦輪盤概率分析提供直接模型支持。步驟三本步驟實(shí)施前提必須具備以電子表格形式保存的渦輪盤常用材料庫。材 料模塊系統(tǒng)流程圖見圖9，T-PDS利用渦輪盤常用材料文檔，采用面向?qū)ο蟮腛LE技術(shù)開發(fā) 材料庫工具，根據(jù)不同需要分別提供常用材料宏文件、包含蠕變參數(shù)的材料宏文件和包含 概率循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線的材料宏文件三種形式宏文件。當(dāng)選擇包含概率循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲 線材料時(shí)，T-PDS對(duì)循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線采用Ramberg-Osgood方程(3_1)表示，并利用統(tǒng)計(jì) 回歸方法對(duì)提供的穩(wěn)態(tài)遲滯回線特征值數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)化處理，統(tǒng)計(jì)處理后Ramberg-Osgood 方程可表示為公式3-2，形成隨機(jī)化循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線。
式中a，b，c, d為統(tǒng)計(jì)參數(shù)；P為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量。步驟四本步驟實(shí)施前提需操作系統(tǒng)安裝數(shù)學(xué)工具軟件MATLAB。載荷定義見圖 15中低循環(huán)疲勞確定性分析子流程，T-PDS集成雨流計(jì)數(shù)法，對(duì)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速譜處理，獲取低循 環(huán)疲勞分析所需主次循環(huán)數(shù)。見圖15中隨機(jī)變量定義子流程，T-PDS采用引擎開發(fā)模式集 成MATLAB的數(shù)據(jù)處理函數(shù)，基本實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的數(shù)據(jù)處理能力，能夠完成對(duì)外場數(shù)據(jù)分布類型 (正態(tài)分布、威布爾分布等)的點(diǎn)參估計(jì)、區(qū)間估計(jì)和總體正態(tài)分布的假設(shè)檢驗(yàn)，為概率分 析中隨機(jī)變量分布類型參數(shù)的定義提供支持。步驟五圖15為低循環(huán)疲勞和疲勞蠕變耦合概率分析流程圖，利用步驟二提供的 模型、步驟四定義的載荷和主次循環(huán)參數(shù)，選擇應(yīng)變壽命模型進(jìn)行低循環(huán)疲勞確定性分析，選擇雙參數(shù)特性函數(shù)模型進(jìn)行疲勞蠕變耦合確定性分析；同時(shí)利用步驟四中提供的隨機(jī)變 量，然后選擇概率方法進(jìn)行概率分析，獲得可靠性壽命。T-PDS在考慮載荷隨機(jī)和材料隨機(jī) 的基礎(chǔ)上，對(duì)于Masson-coffin應(yīng)變壽命模型(5_1)不僅保留了傳統(tǒng)的假設(shè)疲勞參數(shù)為正 態(tài)分布的做法，同時(shí)對(duì)對(duì)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行異方差回歸處理，提供應(yīng)變壽命模型的異方差 可靠性模型(5-3)。疲勞蠕變耦合概率分析中，采用雙參數(shù)特性(5-2)表征的疲勞蠕變耦合 函數(shù)。 ^ =+s'人2NJ(5-1)
2
E
式中A ￡
E-b-
一應(yīng)變范圍； ——疲勞強(qiáng)度系數(shù)； -彈性模量； _疲勞強(qiáng)度指數(shù)； ——疲勞延性系數(shù)；
c——疲勞延性指數(shù)； 一失效循環(huán)數(shù)。
(5-2)
式中Df——疲勞損傷； D。——蠕變損傷； e” 02_材料參數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定c
(5-3)式中a，b，c，d，1，m, n, p為統(tǒng)計(jì)參數(shù)，y為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量。步驟六分析圖4系統(tǒng)活動(dòng)模型中的各個(gè)模塊，AO的材料模塊，A1的載荷模塊，A2 的幾何模型模塊，A3的設(shè)計(jì)決策模塊均是為A4，A5，A6，A7模塊服務(wù)，為渦輪盤的分析提供 準(zhǔn)則。T-PDS采用流程任務(wù)機(jī)制，流程圖見圖16，其中單個(gè)任務(wù)流程圖見圖5，T-PDS以任務(wù) 為基本單元，按照流程自動(dòng)建立，數(shù)據(jù)庫中自動(dòng)記錄用戶的操作任務(wù)，只有完成了上一步的 操作，下一步的任務(wù)模塊才會(huì)在系統(tǒng)工程樹列表中顯示出來，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)將概率設(shè)計(jì)流程 顯示到實(shí)時(shí)顯示窗口中，以紅色標(biāo)記已經(jīng)完成的任務(wù)，實(shí)時(shí)提醒設(shè)計(jì)人員。T-PDS以渦輪盤 概率設(shè)計(jì)流程為渦輪盤結(jié)構(gòu)概率設(shè)計(jì)系統(tǒng)核心的原則，以分析任務(wù)為中心，搭建渦輪盤結(jié) 構(gòu)概率設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，E-R模型見圖18，為概率設(shè)計(jì)過程提供數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)支持。其中，步驟二中所述參數(shù)化特征建模工具是自開發(fā)典型渦輪盤結(jié)構(gòu)的參數(shù)化特征 建模工具，包括輪盤子午面設(shè)計(jì)和榫槽截面設(shè)計(jì)兩部分，其靜態(tài)用例圖如圖7 (a)，流程圖如 圖7(b)所示；其中，步驟三中所述材料庫是自開發(fā)渦輪盤常用材料庫工具，根據(jù)設(shè)計(jì)分析需要 分別提供基本材料參數(shù)和隨機(jī)化應(yīng)力應(yīng)變曲線，其流程圖如圖9所示；其中，步驟四中所述載荷定義是不僅包括轉(zhuǎn)速等基本信息的定義，也集成雨流計(jì) 數(shù)方法對(duì)基準(zhǔn)載荷譜的處理，其靜態(tài)用例圖如圖8(a)所示；所述隨機(jī)變量定義對(duì)概率分析中變量進(jìn)行分布類型定義，同時(shí)利用MATLAB數(shù)據(jù)處理函數(shù)對(duì)散點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其靜態(tài)用 例圖如圖8(b)所示；其中，步驟一中所述二維優(yōu)化模塊系統(tǒng)靜態(tài)用例圖如圖10所示，三維應(yīng)力應(yīng)變分 析模塊系統(tǒng)靜態(tài)用例圖如圖11所示，破裂轉(zhuǎn)速概率分析系統(tǒng)靜態(tài)用例圖如圖12所示，低循 環(huán)疲勞概率分析系統(tǒng)靜態(tài)用例圖如圖13所示，疲勞-蠕變耦合概率分析系統(tǒng)靜態(tài)用例圖如 圖14所示。T-PDS系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)為Windows 2000/XP/NT,需安裝有限元分析軟件ANSYS10. 0 或以上版本，數(shù)值軟件MATLAB7. 0，三維建模軟件UGNX4. 0，并架構(gòu)SQL SERVER2000數(shù)據(jù)庫， 方可完整實(shí)現(xiàn)渦輪盤結(jié)構(gòu)概率設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能。T-PDS系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫(見圖18)為依托，以流程為輔助暗線，利用后臺(tái)命令A(yù)PDL集 成ANSYS作為有限元分析平臺(tái)，集成UGNX實(shí)現(xiàn)三維建模，集成自開發(fā)參數(shù)化特征建模工具 實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，集成自開發(fā)材料工具實(shí)現(xiàn)隨機(jī)化材料，集成MATLAB實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，集成 自開發(fā)雨流計(jì)數(shù)程序?qū)崿F(xiàn)基準(zhǔn)載荷譜處理，以C/S模式(見圖17)架構(gòu)了一個(gè)可進(jìn)行渦輪 盤結(jié)構(gòu)概率設(shè)計(jì)的平臺(tái)。
權(quán)利要求
一種渦輪盤結(jié)構(gòu)概率設(shè)計(jì)系統(tǒng)的構(gòu)建方法，其特征在于該方法具體步驟如下步驟一分析渦輪盤結(jié)構(gòu)概率設(shè)計(jì)流程，渦輪盤概率設(shè)計(jì)需要收集渦輪盤試驗(yàn)數(shù)據(jù)和外場使用數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，確定渦輪盤初始模型參數(shù)和邊界條件后，選定其典型失效模式進(jìn)行可靠性分析，最后通過流程輔助與設(shè)計(jì)決策體系輔助設(shè)計(jì)過程并最終評(píng)判設(shè)計(jì)方案，對(duì)概率設(shè)計(jì)流程的分析與拆解，確定了概率設(shè)計(jì)流程的系統(tǒng)功能模型，包括幾何建模、隨機(jī)變量定義、載荷譜、失效模式分析、設(shè)計(jì)決策；步驟二將典型渦輪盤結(jié)構(gòu)分解為輪盤子午面和榫槽兩部分，分別對(duì)其提取特征參數(shù)，完成參數(shù)化建模；針對(duì)參數(shù)化模型，利用vc6.0為開發(fā)平臺(tái)，采用UG OPEN/API對(duì)三維建模軟件UGNX進(jìn)行外部開發(fā)，實(shí)現(xiàn)典型渦輪盤結(jié)構(gòu)的參數(shù)化特征建模工具；參數(shù)化特征建模工具為渦輪盤結(jié)構(gòu)概率設(shè)計(jì)系統(tǒng)提供了可不斷修改的模型，為概率設(shè)計(jì)提供了基本保障；步驟三將渦輪盤常用材料以電子表格形式保存，采用面向?qū)ο蟮腛LE技術(shù)開發(fā)材料庫工具，以宏文件的方式提供給有限元分析軟件，形成渦輪盤常用材料庫工具；本工具不僅能夠提供彈性模量、泊松比、線膨脹系數(shù)等基本材料參數(shù)的需求，同時(shí)將循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線采用Ramberg-Osgood方程(1)表示，并對(duì)其隨機(jī)化處理，為整個(gè)系統(tǒng)完成渦輪盤概率設(shè)計(jì)提供了確定性材料和隨機(jī)化材料； <mrow><mfrac> <msub><mi>Δϵ</mi><mi>t</mi> </msub> <mn>2</mn></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mi>Δσ</mi> <mrow><mn>2</mn><mi>E</mi> </mrow></mfrac><mo>+</mo><msup> <mrow><mo>(</mo><mfrac> <mi>Δσ</mi> <mrow><mn>2</mn><msup> <mi>K</mi> <mo>′</mo></msup> </mrow></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><msup> <mi>n</mi> <mo>′</mo></msup> </mrow></msup><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>式中Δεt——應(yīng)變范圍；Δσ——應(yīng)力范圍；E——彈性模量K′——循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)；n′——循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)；步驟四集成雨流計(jì)數(shù)程序，處理基準(zhǔn)載荷譜，為低循環(huán)分析提供主次循環(huán)載荷參數(shù)，同時(shí)集成MATLAB的數(shù)據(jù)處理函數(shù)，基本實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的數(shù)據(jù)處理能力，完成對(duì)外場數(shù)據(jù)分布類型的點(diǎn)參估計(jì)、區(qū)間估計(jì)和假設(shè)檢驗(yàn)；步驟五在考慮載荷隨機(jī)和材料隨機(jī)的基礎(chǔ)上，對(duì)于Masson-coffin應(yīng)變壽命模型(2)不僅保留了傳統(tǒng)的假設(shè)疲勞參數(shù)為正態(tài)分布的做法，而且對(duì)應(yīng)變壽命模型的異方差特性進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的異方差回歸處理，提供應(yīng)變壽命模型的異方差可靠性模型；疲勞蠕變耦合概率分析中，采用雙參數(shù)特性(3)表征的疲勞蠕變耦合函數(shù)； <mrow><mfrac> <msub><mi>Δϵ</mi><mi>t</mi> </msub> <mn>2</mn></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <msubsup><mi>σ</mi><mi>f</mi><mi>t</mi> </msubsup> <mi>E</mi></mfrac><msup> <mrow><mo>(</mo><msub> <mrow><mn>2</mn><mi>N</mi> </mrow> <mi>f</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mi>b</mi></msup><mo>+</mo><msubsup> <mi>ϵ</mi> <mi>f</mi> <mi>t</mi></msubsup><msup> <mrow><mo>(</mo><msub> <mrow><mn>2</mn><mi>N</mi> </mrow> <mi>f</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mi>c</mi></msup><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>式中Δεt——應(yīng)變范圍； σf′——疲勞強(qiáng)度系數(shù)； E——彈性模量； b——疲勞強(qiáng)度指數(shù)； εf′——疲勞延性系數(shù)； c——疲勞延性指數(shù)； Nf——失效循環(huán)數(shù)。
<mrow><msub> <mi>D</mi> <mi>f</mi></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><mo>-</mo><msup> <mi>e</mi> <mrow><msub> <mi>θ</mi> <mn>1</mn></msub><msub> <mi>D</mi> <mi>c</mi></msub> </mrow></msup><mo>+</mo><mfrac> <mrow><msup> <mi>e</mi> <msub><mi>θ</mi><mn>1</mn> </msub></msup><mo>-</mo><mn>2</mn> </mrow> <mrow><msup> <mi>e</mi> <msub><mi>θ</mi><mn>2</mn> </msub></msup><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <msup><mi>e</mi><mrow> <msub><mi>θ</mi><mn>2</mn> </msub> <msub><mi>D</mi><mi>c</mi> </msub></mrow> </msup> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>式中Df——疲勞損傷； Dc——蠕變損傷； θ1，θ2——材料參數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定；步驟六以任務(wù)為基本單元，以渦輪盤概率設(shè)計(jì)流程為渦輪盤結(jié)構(gòu)概率設(shè)計(jì)系統(tǒng)核心的原則，搭建渦輪盤結(jié)構(gòu)概率設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和E-R模型，為概率設(shè)計(jì)過程提供數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)支持；系統(tǒng)的任務(wù)是按照流程自動(dòng)建立的，數(shù)據(jù)庫中自動(dòng)記錄用戶的操作任務(wù)，只有完成了上一步的操作，下一步的任務(wù)模塊才會(huì)在系統(tǒng)工程樹列表中顯示出來，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)將概率設(shè)計(jì)流程顯示到實(shí)時(shí)顯示窗口中，以紅色標(biāo)記已經(jīng)完成的任務(wù)，實(shí)時(shí)提醒設(shè)計(jì)人員。
全文摘要
一種渦輪盤結(jié)構(gòu)概率設(shè)計(jì)系統(tǒng)的構(gòu)建方法，它有六大步驟一分析渦輪盤結(jié)構(gòu)概率設(shè)計(jì)流程，對(duì)失效模式進(jìn)行分析，確定概率設(shè)計(jì)流程的系統(tǒng)功能模型；二分別提取輪盤子午面和榫槽的特征參數(shù)，完成參數(shù)化建模；三將渦輪盤常用材料以電子表格形式保存，形成材料庫工具；四集成雨流計(jì)數(shù)程序，處理基準(zhǔn)載荷譜，為低循環(huán)分析提供主次循環(huán)載荷參數(shù)并集成MATLAB數(shù)據(jù)處理函數(shù)，用雙參數(shù)特性函數(shù)表示疲勞-蠕變耦合；五對(duì)應(yīng)變壽命模型的異方差特性進(jìn)行研究并提供模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的異方差回歸處理；六以任務(wù)為基本單元和渦輪盤概率設(shè)計(jì)流程為核心的原則，搭建渦輪盤結(jié)構(gòu)概率設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。本發(fā)明在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域內(nèi)具有廣闊地應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101853317SQ201010153650
公開日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2010年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月20日
發(fā)明者樊江, 王榮橋, 胡殿印, 蔡坤, 陳景陽 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)