一種渦輪葉盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是一種針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)滿輪葉盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的可靠性設(shè)計(jì)方法，它是一種能 夠考慮材料、幾何等因素分散性的設(shè)計(jì)方法，屬于航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一種極限產(chǎn)品，工作在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速等的復(fù)雜載荷/環(huán)境下;發(fā) 動(dòng)機(jī)性能及安全性指標(biāo)的提高，要求發(fā)動(dòng)機(jī)重量輕、長(zhǎng)壽命、高可靠性(如，安全飛行對(duì)發(fā)動(dòng) 機(jī)結(jié)構(gòu)件則要求低的破壞概率，可達(dá)10- 5-10-7次/飛行小時(shí)）。目前，現(xiàn)役和在役發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié) 構(gòu)重(性能不過(guò)關(guān))且不保證可靠。究其原因，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)某些部位進(jìn)行了偏保守的 設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致其它部位偏于危險(xiǎn)，且危險(xiǎn)不可控。運(yùn)主要是由于未考慮設(shè)計(jì)輸入隨機(jī)性、未 考慮壽命可靠性和強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)造成的。
[0003] 傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)常采用分散系數(shù)來(lái)反映結(jié)構(gòu)的分散度，為保證安全，目前給定的 分散系數(shù)偏大，造成結(jié)構(gòu)冗余，給減重帶來(lái)挑戰(zhàn)。因此，滿輪葉盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的可靠性設(shè)計(jì)是 高功重比發(fā)動(dòng)機(jī)必須采用的手段之一。
[0004] 目前傳統(tǒng)滿輪葉盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法主要是W確定性設(shè)計(jì)為主，并結(jié)合部分實(shí)驗(yàn)內(nèi) 容，難W準(zhǔn)確給出結(jié)構(gòu)的實(shí)際強(qiáng)度，量化結(jié)構(gòu)的失效風(fēng)險(xiǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明技術(shù)解決方案:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種滿輪葉盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠性 設(shè)計(jì)方法，能夠給出準(zhǔn)確的實(shí)際強(qiáng)度，量化結(jié)構(gòu)的失效風(fēng)險(xiǎn)。
[0006] 本發(fā)明技術(shù)解決方案:一種滿輪葉盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)方法，概括起來(lái)，主要包 括:初始方案設(shè)計(jì)、確定性詳細(xì)設(shè)計(jì)、失效部位的強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)、組合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和設(shè)計(jì)決 策五個(gè)部分。強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)包括可能引起滿輪葉盤結(jié)構(gòu)破壞的多個(gè)失效部位(如盤屯、、福 板、禪槽、禪頭、葉根等)的強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)，其中考慮載荷(包括溫度、轉(zhuǎn)速）、材料和幾何尺 寸等隨機(jī)因素造成的應(yīng)力分散性;將失效部位的組合風(fēng)險(xiǎn)和滿輪葉盤結(jié)構(gòu)重量作為設(shè)計(jì)決 策函數(shù)，若不滿足設(shè)計(jì)要求，需重新修改設(shè)計(jì)直到滿足滿輪葉盤結(jié)構(gòu)高性能和高可靠性的 雙重指標(biāo)。
[0007] 實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[000引（1)初始滿輪葉盤結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì):依據(jù)傳統(tǒng)的強(qiáng)度分析方法設(shè)計(jì)確定滿輪葉盤結(jié) 構(gòu)的初始方案，同時(shí)確定滿輪葉盤結(jié)構(gòu)的幾何形狀，并計(jì)算得到初始方案的重量，為后面的 設(shè)計(jì)決策提供數(shù)據(jù)依據(jù)；
[0009] (2)確定性詳細(xì)設(shè)計(jì):針對(duì)滿輪葉盤選取的材料，通過(guò)材料性能試驗(yàn)或材料數(shù)據(jù)手 冊(cè)，獲取該材料必須的材料屬性，必須的材料屬性包括彈性模量、泊松比、疲勞壽命;通過(guò)傳 熱分析或?qū)嶋H測(cè)量，獲取滿輪葉盤結(jié)構(gòu)的溫度譜;通過(guò)外場(chǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，獲得發(fā)動(dòng) 機(jī)的轉(zhuǎn)速譜，然后結(jié)合溫度譜和轉(zhuǎn)速譜運(yùn)兩種載荷譜獲取滿輪葉盤結(jié)構(gòu)工作時(shí)最危險(xiǎn)的溫 度場(chǎng)和離屯、載荷，得到滿輪葉盤結(jié)構(gòu)Ξ維應(yīng)力和應(yīng)變分析所需的確定性載荷；W初始滿輪 葉盤結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，w選取的材料數(shù)量和確定性載荷為輸入條件，進(jìn)行滿輪葉盤結(jié) 構(gòu)的詳細(xì)Ξ維應(yīng)力/應(yīng)變分析，得到滿輪葉盤結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、應(yīng)力、位移的分布場(chǎng);將滿輪葉盤 結(jié)構(gòu)確定性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則作為優(yōu)化約束條件，依據(jù)確定性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中對(duì)滿輪葉盤結(jié)構(gòu)各考核部 位應(yīng)力、應(yīng)變、變形量等指標(biāo)值的具體要求，判斷分析結(jié)果是否滿足;若不滿足確定性設(shè)計(jì) 準(zhǔn)則要求，則返回設(shè)計(jì)支持，W各環(huán)節(jié)分析結(jié)果、專家意見等信息作為支持查找原因，修改 滿輪葉盤結(jié)構(gòu)的幾何形狀，直到滿足確定性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為止；
[0010] (3)多失效部位的強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì):在確定性詳細(xì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，分析影響滿輪葉 盤結(jié)構(gòu)的幾何、載荷、材料的隨機(jī)因素及其分布特征，建立多失效部位的應(yīng)力模型，多個(gè)失 效部位包括盤屯、、福板、禪槽、禪頭、葉根位置;抽樣計(jì)算得到各失效部位的應(yīng)力分布，進(jìn)一 步計(jì)算各失效部位的可靠性;針對(duì)強(qiáng)度概率準(zhǔn)則中對(duì)各失效部位的具體要求，對(duì)強(qiáng)度可靠 性分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)估;如結(jié)構(gòu)可靠性結(jié)果不滿足強(qiáng)度概率準(zhǔn)則要求，則返回設(shè)計(jì)支持，W各 環(huán)節(jié)分析結(jié)果作為支持查找原因，修改滿輪葉盤結(jié)構(gòu)的幾何形狀；
[0011] (4)組合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估:基于多失效部位的強(qiáng)度可靠性分析結(jié)果，對(duì)各失效部位中的各 個(gè)失效部位的風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行組合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，計(jì)算滿輪葉盤結(jié)構(gòu)的整體失效概率；
[0012] (5)設(shè)計(jì)決策:依據(jù)步驟(1)中滿輪葉盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初始方案的重量，結(jié)合步驟(4) 組合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估確定的整體失效概率的結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)決策;若重量、強(qiáng)度、壽命、可靠性等技 術(shù)指標(biāo)滿足要求，則完成設(shè)計(jì)；否則轉(zhuǎn)入返回設(shè)計(jì)支持，即W分析結(jié)果作為支持查找原因， 返回初始結(jié)構(gòu)方案，對(duì)尺寸或材料進(jìn)行修改;再次重復(fù)步驟(2)至(5)，如此反復(fù)進(jìn)行直到滿 足要求。
[0013] 所述步驟(4)中在進(jìn)行組合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，將各失效部位看作串聯(lián)模型，或結(jié)合設(shè)計(jì) 經(jīng)驗(yàn)采用權(quán)重系數(shù)法，來(lái)計(jì)算滿輪葉盤結(jié)構(gòu)的整體失效概率，串聯(lián)模型可靠度計(jì)算公式如 下：
[0014] 護(hù)巧細(xì)cture 扣 any i'ailurc po加 on]=巧廠I U 廠]U ... U 廠、]=I -!]器.與…
[001引 p[Fi]為第i個(gè)位置的失效概率（i = l，2，· · -，5;i = l為盤屯、位置，i = 2為福板 位置，i = 3為禪槽位置，i = 4為禪頭位置，i = 5為葉根位置）。
[0016] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明滿輪葉盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)方法， 與傳統(tǒng)滿輪葉盤結(jié)構(gòu)確定性設(shè)計(jì)方法相比，全面考慮了載荷、材料和幾何尺寸等隨機(jī)因素 的分散性，分析了可能出現(xiàn)的各種失效部位，量化了滿輪葉盤結(jié)構(gòu)的失效風(fēng)險(xiǎn)，最后基于強(qiáng) 度可靠性分析結(jié)果，對(duì)滿輪葉盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1為本發(fā)明的滿輪葉盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明滿輪葉盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)方法的技術(shù)方案做進(jìn)一步 說(shuō)明。
[0019] 考慮載荷、材料和幾何等因素的分散性，結(jié)合滿輪葉盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠性準(zhǔn)則，本發(fā) 明提的滿輪葉盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)方法，其流程見圖1。
[0020] (1)初始滿輪葉盤結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì):依據(jù)傳統(tǒng)的強(qiáng)度分析方法設(shè)計(jì)確定滿輪葉盤結(jié) 構(gòu)的初始方案，同時(shí)確定滿輪葉盤結(jié)構(gòu)的幾何形狀，并計(jì)算得到初始方案的重量，為后面的 設(shè)計(jì)決策提供數(shù)據(jù)依據(jù)；
[0021] (2)確定性詳細(xì)設(shè)計(jì):針對(duì)滿輪葉盤選取的材料，通過(guò)材料性能試驗(yàn)或材料數(shù)據(jù)手 冊(cè)，獲取該材料必須的材料屬性，必須的材料屬性包括彈性模量、泊松比、疲勞壽命;通過(guò)傳 熱分析或?qū)嶋H測(cè)量，獲取滿輪葉盤結(jié)構(gòu)的溫度譜;通過(guò)外場(chǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，獲得發(fā)動(dòng) 機(jī)的轉(zhuǎn)速譜，然后結(jié)合溫度譜和轉(zhuǎn)速譜運(yùn)兩種載荷譜獲取滿輪葉盤結(jié)構(gòu)工作時(shí)最危險(xiǎn)的溫 度場(chǎng)和離屯、載荷，得到滿輪葉盤結(jié)構(gòu)Ξ維應(yīng)力和應(yīng)變分析所需的確定性載荷；W初始滿輪 葉盤結(jié)構(gòu)方案設(shè)