燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)加速壽命試驗(yàn)試車方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)加速壽命試驗(yàn)試車方法，包括以下步驟：建立在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)模擬運(yùn)行條件下的加速因子分析模型；依據(jù)所述加速因子分析模型，利用支持向量機(jī)法建立三維有限元應(yīng)力分析的代理模型；利用所述代理模型得到加速因子分析模型的危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力，獲取所述加速因子分析模型的壽命指標(biāo)；利用蒙特卡洛方法對(duì)所述壽命指標(biāo)的隨機(jī)變量進(jìn)行隨機(jī)模擬；建立并分析應(yīng)力在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)模擬運(yùn)行條件下的加速壽命試驗(yàn)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，依據(jù)所述優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行優(yōu)化；采用混合優(yōu)化法優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，依據(jù)優(yōu)化后的數(shù)學(xué)模型獲取優(yōu)化后的加速壽命試驗(yàn)方案。降低試驗(yàn)周期，減少壽命試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。
【專利說(shuō)明】燃?xì)鉂?rùn)輪發(fā)動(dòng)機(jī)加速壽命試驗(yàn)試車方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)領(lǐng)域，特別地，涉及一種燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)加速壽命試驗(yàn)試車方法。
【背景技術(shù)】
[0002]可靠性及耐久性是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的重要指標(biāo)。作為可靠性試驗(yàn)中最重要、最基本內(nèi)容之一的壽命試驗(yàn)具有非常重要的地位，通過(guò)其可以獲得產(chǎn)品壽命的分布規(guī)律，計(jì)算出產(chǎn)品的失效率和平均壽命等重要可靠性指標(biāo)。早期的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)壽命較短，并采用定期翻修的壽命管理模式。其壽命試驗(yàn)方法通常是1:1壽命長(zhǎng)期試車，且一般先進(jìn)行首翻期壽命考核，發(fā)動(dòng)機(jī)翻修后的壽命則再進(jìn)行壽命長(zhǎng)試，直至確定出總壽命。但是近20年來(lái)，由于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)水平及維護(hù)能力的提高，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)壽命提高了 2?4倍，而且有的已取消了翻修壽命，轉(zhuǎn)而采用單元體視情維護(hù)的壽命管理模式，這對(duì)于壽命試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，相應(yīng)帶來(lái)了試驗(yàn)周期長(zhǎng)、資金和人力耗費(fèi)巨大等一系列困難，甚至在某些情況下造成工程上難以接受。因此很有必要采取一定技術(shù)手段克服此困難。
[0003]加速壽命試驗(yàn)技術(shù)是解決這一難題的有效途徑。加速壽命試驗(yàn)是在進(jìn)行合理工程及統(tǒng)計(jì)假設(shè)的基礎(chǔ)上利用與物理失效規(guī)律相關(guān)的統(tǒng)計(jì)模型對(duì)在超出正常應(yīng)力水平的加速環(huán)境下獲得的可靠性信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到試件在額定應(yīng)力水平下可靠性特征的可復(fù)現(xiàn)的數(shù)值估計(jì)的一種試驗(yàn)方法。
[0004]發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作中會(huì)根據(jù)飛機(jī)/直升機(jī)等載具的實(shí)時(shí)需求提供不同的功率或推力，即發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度載荷在不斷變化，其隨時(shí)間的變化關(guān)系被稱為載荷譜。發(fā)動(dòng)機(jī)的損傷主要有兩大類，一類是持久損傷，主要就是在大狀態(tài)(狀態(tài)指轉(zhuǎn)速及溫度的高低情況)下長(zhǎng)時(shí)工作下的持久損傷，另一類是小、大狀態(tài)之間來(lái)回經(jīng)歷所產(chǎn)生的循環(huán)疲勞損傷。傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)加速壽命試車方法主要是對(duì)載荷譜中的小狀態(tài)進(jìn)行舍棄或者是等效換算到大狀態(tài)。這種方法能夠較好對(duì)持久損傷(發(fā)動(dòng)機(jī)葉片類零件的主要失效模式)進(jìn)行加速模擬，但是對(duì)于疲勞損傷(發(fā)動(dòng)機(jī)盤(pán)類零件的主要失效模式)則很難進(jìn)行加速模擬，因此壽命試驗(yàn)循環(huán)數(shù)仍然較多，費(fèi)用仍然較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于提供一種燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)加速壽命試驗(yàn)試車方法，以解決現(xiàn)有加速壽命試驗(yàn)技術(shù)難以對(duì)疲勞損傷進(jìn)行實(shí)施，會(huì)引起壽命試驗(yàn)循環(huán)數(shù)較多、費(fèi)用仍高的技術(shù)問(wèn)題。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0007]一種燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)加速壽命試驗(yàn)試車方法，包括以下步驟:a、建立在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)擬運(yùn)行條件下的加速因子分析模型；b、依據(jù)加速因子分析模型，利用支持向量機(jī)法建立三維有限元應(yīng)力分析的代理模型；c、利用代理模型得到加速因子分析模型的危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力，獲取加速因子分析模型的壽命指標(biāo)；d、利用蒙特卡洛方法對(duì)壽命指標(biāo)的隨機(jī)變量進(jìn)行隨機(jī)模擬；e、建立并分析應(yīng)力在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)模擬運(yùn)行條件下的加速壽命試驗(yàn)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，依據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行優(yōu)化；f、采用混合優(yōu)化法優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，依據(jù)優(yōu)化后的數(shù)學(xué)模型獲取優(yōu)化后的加速壽命試驗(yàn)方案。
[0008]進(jìn)一步地，步驟a中的加速因子分析模型選取輪盤(pán)。
[0009]進(jìn)一步地，輪盤(pán)疲勞壽命與結(jié)構(gòu)的最大當(dāng)量應(yīng)力以及材料溫度有關(guān)，而最大當(dāng)量應(yīng)力由離心荷載和溫度荷載綜合確定，即輪盤(pán)疲勞壽命L是轉(zhuǎn)速和溫度的函數(shù)，因此得到:
[0010]L = f ( O , T) (I)
[0011]ο = f (η, Τ) (2)
[0012]故L = f(n, Τ) (3)
[0013]輪盤(pán)的加速因子定義為:
[0014]τ L = L/L0 = f (n0, T0) /f (η, Τ) (4)
[0015]式中:σ——輪盤(pán)的應(yīng)力；
[0016]η—加速試驗(yàn)下輪盤(pán)的轉(zhuǎn)速；nQ——不加速試驗(yàn)下輪盤(pán)的轉(zhuǎn)速；
[0017]T—加速試驗(yàn)下輪盤(pán)的溫度；!；一不加速試驗(yàn)下輪盤(pán)的溫度；
[0018]以上各式的求解采用有限元法直接求解或者利用支持向量機(jī)法建立代理模型求解。
[0019]進(jìn)一步地，步驟b中的代理模型是指在可接受的精度降低情況下構(gòu)造的一個(gè)計(jì)算量小，計(jì)算周期短，但計(jì)算結(jié)果與原有數(shù)值分析或物理試驗(yàn)結(jié)果相近的數(shù)學(xué)模型。
[0020]進(jìn)一步地，步驟b中代理模型的建立包括以下步驟:g、利用設(shè)定數(shù)量的輪盤(pán)進(jìn)行三維有限元應(yīng)力分析，得到不同轉(zhuǎn)速和不同溫度對(duì)應(yīng)的壽命指標(biāo)點(diǎn)，這些壽命指標(biāo)點(diǎn)稱為原始樣本點(diǎn)；h、隨機(jī)挑取80%左右的原始樣本點(diǎn)作為訓(xùn)練樣本點(diǎn)，按照支持向量機(jī)的建模原理建立代理模型；1、取剩余的20%左右的原始樣本點(diǎn)作為檢測(cè)樣本點(diǎn)，監(jiān)測(cè)代理模型精度，若誤差大于5%，則重復(fù)步驟h和步驟i直到滿足要求為止。
[0021 ] 進(jìn)一步地，步驟c中獲取輪盤(pán)危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力后，利用輪盤(pán)材料的應(yīng)變-壽命曲線得到輪盤(pán)壽命指標(biāo)，得到:./η*
[0022]
【權(quán)利要求】
1.一種燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)加速壽命試驗(yàn)試車方法，其特征在于，包括以下步驟: a、建立在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)模擬運(yùn)行條件下的加速因子分析模型； b、依據(jù)所述加速因子分析模型，利用支持向量機(jī)法建立三維有限元應(yīng)力分析的代理模型； C、利用所述代理模型得到加速因子分析模型的危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力，獲取所述加速因子分析模型的壽命指標(biāo)； d、利用蒙特卡洛方法對(duì)所述壽命指標(biāo)的隨機(jī)變量進(jìn)行隨機(jī)模擬； e、建立并分析應(yīng)力在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)模擬運(yùn)行條件下的加速壽命試驗(yàn)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，依據(jù)所述優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行優(yōu)化； f、采用混合優(yōu)化法優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，依據(jù)優(yōu)化后的數(shù)學(xué)模型獲取優(yōu)化后的加速壽命試驗(yàn)方案。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)加速壽命試驗(yàn)試車方法，其特征在于， 所述步驟a中的加 速因子分析模型選輪盤(pán)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)加速壽命試驗(yàn)試車方法，其特征在于， 輪盤(pán)疲勞壽命L是轉(zhuǎn)速和溫度的函數(shù)，因此得到: L = f(o ,T) (I) σ = f(n, T) (2) ^L = f(n,T) (3) 輪盤(pán)的加速因子定義為: τ L = L/L0 = f (n0, T0) /f (η, Τ) (4) 式中:σ-輪盤(pán)的應(yīng)力； η—加速試驗(yàn)下輪盤(pán)的轉(zhuǎn)速；％—不加速試驗(yàn)下輪盤(pán)的轉(zhuǎn)速； T—加速試驗(yàn)下輪盤(pán)的溫度Jtl—不加速試驗(yàn)下輪盤(pán)的溫度； 以上各式的求解采用有限元法直接求解或者利用支持向量機(jī)法建立代理模型求解。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)加速壽命試驗(yàn)試車方法，其特征在于， 所述步驟b中的代理模型是指在可接受的精度降低情況下構(gòu)造的一個(gè)計(jì)算量小，計(jì)算周期短，但計(jì)算結(jié)果與原有數(shù)值分析或物理試驗(yàn)結(jié)果相近的數(shù)學(xué)模型。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)加速壽命試驗(yàn)試車方法，其特征在于， 所述步驟b中代理模型的建立包括以下步驟: g、利用設(shè)定數(shù)量的輪盤(pán)進(jìn)行三維有限元應(yīng)力分析，得到不同轉(zhuǎn)速和不同溫度對(duì)應(yīng)的壽命指標(biāo)點(diǎn)，這些壽命指標(biāo)點(diǎn)稱為原始樣本點(diǎn)； h、隨機(jī)挑取80%左右的原始樣本點(diǎn)作為訓(xùn)練樣本點(diǎn),按照支持向量機(jī)的建模原理建立代理模型； 1、取剩余的20%左右的原始樣本點(diǎn)作為檢測(cè)樣本點(diǎn)，監(jiān)測(cè)代理模型精度，若誤差大于5%,則重復(fù)步驟h和步驟i直到滿足要求為止。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)加速壽命試驗(yàn)試車方法，其特征在于， 所述步驟c中獲取輪盤(pán)危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力后，利用輪盤(pán)材料的應(yīng)變-壽命曲線得到輪盤(pán)壽命指標(biāo)，得到:
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)加速壽命試驗(yàn)試車方法，其特征在于， 所述步驟d中隨機(jī)模擬，利用蒙特卡洛法對(duì)輪盤(pán)壽命指標(biāo)隨轉(zhuǎn)速及溫度隨機(jī)波動(dòng)而變化的分布進(jìn)行模擬，并得到輪盤(pán)疲勞壽命估計(jì)值方差； 再利用試驗(yàn)參數(shù)估算得到威布爾分布的形狀參數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)加速壽命試驗(yàn)試車方法，其特征在于， 所述步驟e中，加速壽命試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速及溫度是可調(diào)節(jié)的，其中輪盤(pán)所處的溫度是一個(gè)范圍值，使輪盤(pán)上各個(gè)部位具有不同的溫度，各部位之間產(chǎn)生熱應(yīng)力，得到相應(yīng)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型如下， 目標(biāo)函數(shù):加速系數(shù)最大以及疲勞壽命估計(jì)值方差最小； 優(yōu)化設(shè)計(jì)變量:轉(zhuǎn)速、輪心溫度和輪緣溫度； 約束條件:加速前后輪盤(pán)壽命分布的威布爾形狀參數(shù)相同以及輪盤(pán)最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)位置相同。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)加速壽命試驗(yàn)試車方法，其特征在于， 所述步驟f中混合優(yōu)化法采用遺傳算法與序列二次規(guī)劃算法相結(jié)合的混合優(yōu)化算法，即先利用遺傳算法在全局層面大致尋找到一個(gè)初步優(yōu)化解，再利用序列二次規(guī)劃算法在初步優(yōu)化解附近尋找最終的優(yōu)化解。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)加速壽命試驗(yàn)試車方法，其特征在于， 所述步驟b中支持向量機(jī)法包括以下步驟: 給定一組樣本數(shù)據(jù)ki，yj，i=l,2,..., I,其中Xi e Rm, Ji e R,利用一個(gè)非線性映射Φ，將數(shù)據(jù)X映射到高維特征空間F，并在這個(gè)空間進(jìn)行線性逼近，找到映射f使其能夠很好逼近給定數(shù)據(jù)組，由統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論得到該函數(shù)具有以下形式:f (X) = (ω , φ (X)) +b, Φ:R — F, ω e F (7) 函數(shù)逼近問(wèn)題等價(jià)于使如下泛函最小:
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103970965SQ201410224789
【公開(kāi)日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年5月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月26日
【發(fā)明者】米棟, 錢正明, 蔡顯新 申請(qǐng)人:中國(guó)航空動(dòng)力機(jī)械研究所