航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤結(jié)構(gòu)可靠性計(jì)算方法研究現(xiàn)狀

在高溫、高速等惡劣環(huán)境中的動(dòng)力傳輸靠航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤來(lái)實(shí)現(xiàn)，其作用是將葉片進(jìn)行安裝并固定，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)有相當(dāng)大的熱應(yīng)力和離心力產(chǎn)生，同時(shí)由葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣動(dòng)力和離心力也會(huì)作用在渦輪盤上。隨著科技的發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)不斷提升的運(yùn)行速度也促進(jìn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)功率的提高，導(dǎo)致機(jī)械負(fù)載以及渦輪盤內(nèi)部應(yīng)力大幅提升。渦輪盤的主要失效模式包括振動(dòng)、低循環(huán)、接觸疲勞、蠕變及其耦合效應(yīng)等。

可靠性是指在指定的時(shí)間段內(nèi)以及特定條件下的產(chǎn)品執(zhí)行指定功能的能力，其定量分析則由相應(yīng)的可靠性數(shù)據(jù)分析來(lái)完成?？煽啃詳?shù)據(jù)分析是由數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)將產(chǎn)品在實(shí)驗(yàn)、研制生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的可靠性數(shù)據(jù)進(jìn)行收集統(tǒng)計(jì)，然后采用概率統(tǒng)計(jì)的方法，以可靠性結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能為基礎(chǔ)得出系統(tǒng)各種可靠性量化指標(biāo)的定量估算方法。

1  機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性研究辦法

在當(dāng)前的機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性分析研究中，內(nèi)容主要包括結(jié)構(gòu)發(fā)生失效的概率計(jì)算以及確定失效模式?？煽啃灾笜?biāo)的計(jì)算通常都要計(jì)算多重積分，因此精確度高，可靠度數(shù)值接近1。以下是幾種計(jì)算失效概率的方法：

1.1  一次二階矩陣法

通過(guò)使用方差和均值對(duì)結(jié)構(gòu)的可靠度進(jìn)行描述的一次二階矩法，對(duì)非線性問(wèn)題進(jìn)行近似性處理，可以很好地處理確定變量概率密度時(shí)遇到的難題。

1.2  原始分析法研究

以概率統(tǒng)計(jì)的理論為基礎(chǔ)，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的不確定因素假定為都服從正態(tài)分布從而推導(dǎo)結(jié)構(gòu)的失效概率。

1.3  R-F法

Rackwitz和Fiesslerz提出的將非正態(tài)分布的隨機(jī)變量做等價(jià)正態(tài)變換，使之轉(zhuǎn)化為正態(tài)分布，從而很好地解決了由于部分不服從正態(tài)分布的隨機(jī)變量引起的可靠性分析難以進(jìn)行的難題。

1.4  H-L法

Hasofer與Lind提出將狀態(tài)極限方程進(jìn)行展開(kāi)得到的失效概率等效于非線性狀態(tài)極限方程從而解決了在一次二階矩法中產(chǎn)生的不穩(wěn)定性的問(wèn)題。

1.5  高次高階矩法

高次高階矩法在原理相似于一次二階矩法，其通過(guò)用極限狀態(tài)的方程偏導(dǎo)數(shù)得到Taylor級(jí)數(shù)從而獲取可靠性數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確計(jì)算，因此具有較高的精度。但是缺點(diǎn)也很明顯，那就是求導(dǎo)的函數(shù)可能會(huì)很復(fù)雜，求解的難度大。

1.6  數(shù)值積分法

當(dāng)聯(lián)合密度函數(shù)已知時(shí)，數(shù)值積分法可以用來(lái)解決相對(duì)簡(jiǎn)單的失效概率，其主要由降解積分法和雙正態(tài)概率積分來(lái)實(shí)現(xiàn)，特別是對(duì)于積分部分比較規(guī)則、隨機(jī)變量相對(duì)簡(jiǎn)單的情況。該方法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是通過(guò)尋找失效區(qū)域中變量狀態(tài)極限函數(shù)的聯(lián)合概率密度函數(shù)的積分來(lái)找出失效概率。

1.7  組合超平面法

該方法主要通過(guò)使用狀態(tài)極限方程來(lái)解決非線性疲勞失效問(wèn)題，如果臨界函數(shù)是非線性的，則使用超平面來(lái)逼近超曲面，而當(dāng)超曲面的曲率增加時(shí)，其精度也會(huì)逐漸降低，因此該方法主要是為了解決這個(gè)問(wèn)題。

其他方法還包括有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和響應(yīng)面法等。

2  航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤結(jié)構(gòu)可靠性計(jì)算國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

2.1  應(yīng)用Monte-Carlo法研究

在對(duì)渦輪盤的可靠性以及低循環(huán)下疲勞壽命問(wèn)題進(jìn)行研究時(shí)，主要從轉(zhuǎn)速波動(dòng)性以及材料物理性能的分散性對(duì)產(chǎn)品疲勞壽命產(chǎn)生的影響進(jìn)行考量，應(yīng)用疲勞壽命理論模型結(jié)合Monte-Carlo法開(kāi)展產(chǎn)品可靠性分析。

2.2  應(yīng)用二次法研究

通過(guò)以渦輪盤低周疲勞強(qiáng)度的壽命可靠性為基礎(chǔ)來(lái)設(shè)計(jì)概率相關(guān)有限元算法以及一次二階矩法進(jìn)行研究。

2.3  應(yīng)用響應(yīng)面法研究

在研究渦輪盤可靠性與低循環(huán)疲勞之間的關(guān)系時(shí)，把材料的低循環(huán)疲勞性能指數(shù)、載荷以及材料物理特性等參數(shù)定為隨機(jī)因素，從而得到基于響應(yīng)面法的一種結(jié)構(gòu)可靠性分析的方法，根據(jù)測(cè)試結(jié)果顯示，這種方法計(jì)算速度快，精度也比較高。

將渦輪盤結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)公差加入到經(jīng)過(guò)平均應(yīng)力修正之后的Manson-coffin公式中，從而成立疲勞壽命相關(guān)的可靠性模型，然后以修正的Manson-coffin公式為可靠性模型來(lái)作為壽命分析的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用響應(yīng)面法進(jìn)行處理。該方法具有精度高、靈敏度強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)于初期設(shè)計(jì)渦輪盤的過(guò)程中可用來(lái)應(yīng)用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)過(guò)少的問(wèn)題，進(jìn)行了以區(qū)間不確定性為基礎(chǔ)的渦輪盤可靠性強(qiáng)度的優(yōu)化方案，設(shè)計(jì)了變量相應(yīng)面函數(shù)，以非概率可靠性為核心，簡(jiǎn)化算法結(jié)構(gòu)，將雙重的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程轉(zhuǎn)換成單重的優(yōu)化過(guò)程，提升了計(jì)算效率。

2.4  結(jié)合響應(yīng)表面法與Monte-Carlo 法進(jìn)行研究

唐俊星探討了低周疲勞壽命可靠性相關(guān)的算法問(wèn)題，他的主要思路是全面考慮Monte-Carlo 法、響應(yīng)表面法以及有限元分析，從而達(dá)到計(jì)算分析渦輪盤低周疲勞壽命可靠性的目標(biāo)。

裴月通參考借鑒Miner線性累積損傷理論以及 Masson-Coffin公式，通過(guò)綜合Monte-Carlo法和響應(yīng)面法來(lái)進(jìn)行高壓渦輪盤彈塑性相關(guān)的有限元分析，同時(shí)考慮隨機(jī)因素的靈敏度，分析找到關(guān)系渦輪盤運(yùn)行壽命的關(guān)鍵因素，進(jìn)而得出在渦輪盤的主次循環(huán)共同作用之下的低循環(huán)疲勞壽命。

牟園偉將載荷分散性和渦輪盤材料加入渦輪盤低周疲勞壽命可靠性及持久性中的評(píng)估中，進(jìn)而建立可靠性數(shù)據(jù)模型來(lái)計(jì)算產(chǎn)品持久壽命。其主要理論依據(jù)是以 Monte-Carlo 法及響應(yīng)面法為基礎(chǔ)，對(duì)某渦輪盤開(kāi)展其相關(guān)的持久壽命可靠度的計(jì)算，同時(shí)按照 Miner線性損傷累積理論，對(duì)有關(guān)蠕變損傷的渦輪盤低周疲勞壽命開(kāi)展了可靠性評(píng)估。

2.5  應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法研究

張義民利用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合，從而得出渦輪盤隨機(jī)設(shè)計(jì)變量影響其低周疲勞強(qiáng)度的可靠性?；诳煽啃造`敏度技術(shù)以及隨機(jī)攝動(dòng)法設(shè)計(jì)靈敏度，解決了實(shí)際工程中不能給出極限狀態(tài)函數(shù)顯示的難題。

任如飛在對(duì)低壓一級(jí)渦輪盤進(jìn)行接觸疲勞壽命可靠性分析時(shí)，采用遺傳算法優(yōu)化了三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬非線性接觸部位的應(yīng)變振幅分布，進(jìn)而得到了應(yīng)變—壽命分布模型和相應(yīng)的可靠性下的疲勞壽命。

2.6  應(yīng)用模糊法進(jìn)行研究

考慮到傳統(tǒng)渦輪盤確定性應(yīng)力和壽命的分散性，采用模糊可靠性積分法來(lái)計(jì)算渦輪盤關(guān)鍵部位和整個(gè)渦輪盤的結(jié)構(gòu)可靠度分布，在對(duì)渦輪盤的整體可靠性水平的掌握基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)渦輪盤提供了一定的參考價(jià)值。

3  結(jié)語(yǔ)

綜上所述，盡管當(dāng)前我國(guó)在航空領(lǐng)域科技研究與國(guó)際領(lǐng)先國(guó)家仍有差距，但隨著政府的投入加大，國(guó)內(nèi)外科技研究、交流的不斷深入，渦輪盤結(jié)構(gòu)可靠性計(jì)算方法研究前景可期。

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