任意分布参数的涡轮盘低周疲劳失效概率敏感度及其鲁棒设计

摘要

涡轮盘是航空发动机的核心部件，其寿命决定着整个发动机的寿命。因此，对航空发动机涡轮盘进行寿命评估具有重要意义。由实验可知，低周疲劳是航空发动机涡轮盘的主要失效形式，目前对低周疲劳寿命评估主要是利用各种修正Manson-coffin公式，采用确定性分析方法进行寿命评估。然而，轮盘大多是在复杂的多轴载荷作用下服役，传统的单轴疲劳理论往往在预测上存在较大的误差，多轴疲劳理论在近些年来得到了越来越多地研究和应用。由于涡轮盘在加工制造、安装使用等过程中，几何尺寸、材料参数存在一定的分散性，因而涡轮盘的寿命亦具有分散性，仅进行确定性寿命评估就不能满足实际工程需要。
　　本文在总结涡轮盘疲劳寿命评估的基础上引入了多轴疲劳，充分考虑了材料、载荷、几何尺寸这些因素的影响，通过对GH4169材料涡轮盘锻件低周疲劳试验数据的分析将SWT公式随机化，得出了此型涡轮盘的疲劳寿命可靠性模型。在此基础之上，通过引入基于Edgeworth级数的摄动法，本文对服从任意分布的涡轮盘随机参数进行了失效概率分析，并得到了这些参数对寿命失效概率的敏感度。通过基于失效概率敏感度的鲁棒设计，本文进一步对此型航空发动机涡轮盘的性能提升提出了设计建议。由于轮盘是由72个榫槽组成的系统，考虑相关失效的影响，本文最后对整个轮盘系统的失效概率进行了研究。全文主要包括以下几方面:
　　(1)对涡轮盘的三维模型进行有限元仿真。通过弹塑性分析得到涡轮盘的失效区域的应力应变分布，为以后的疲劳寿命分析提供了基础。
　　(2)本文根据航空发动机涡轮盘材料的疲劳特性，，通过对GH4169材料涡轮盘锻件的疲劳数据处理，得到了应变-寿命曲线的基本参数。在此基础上将有限元结果代入到常用的几种寿命预测模型，并最终得到基于多轴疲劳的SWT公式精度最高;查阅文献，将SWT公式随机化，建立涡轮盘的概率寿命可靠性模型。
　　(3)通过引入基于Edgeworth级数的摄动法，可以对服从任意分布的涡轮盘随机参数进行失效概率和失效敏感性分析。由于涡轮盘的结构十分复杂，因此极限状态方程无法用显式表达出来，为了解决这个问题，本文引入了响应面模型。常用的响应面模型有响应面法、Kriging法和径向基神经网络。本文采用了这三种方法进行了拟合，并通过将计算得到的结果与NESSUS软件进行对比，最终得出对于此型航空发动机涡轮盘，采用基于Kriging-Edgeworth的摄动法可以精确地求解服从任意分布的疲劳可靠度。
　　(4)在分析了恒幅加载下失效概率的基础之上，应用miner准则进一步对变幅加载下的失效概率进行探索，并通过Kriging-MCS法和Kriging-Edgeworth法得到了变幅加载下的失效概率。
　　(5)基于失效概率敏感度，本文进一步对此型航空发动机涡轮盘进行了鲁棒设计，对提高其性能提出了设计建议。
　　(6)由于轮盘是由72个榫槽组成的系统，考虑相关失效的影响，本文最后对整个轮盘的失效概率进行了研究。并得出了各个榫槽之间的相关性对系统可靠度以及失效寿命的影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 轮盘低周疲劳寿命预测模型和方法

1．3 可靠性计算的数值方法概述

1．4 可靠性灵敏度的研究现状

1．5 鲁棒设计研究的现状与进展

1．6 本文研究的主要内容

第2章 可靠性基本理论和响应面模型基础

2．1 可靠性概述

2．2 可靠度和可靠性指标

2．3 摄动法基本理论

2．4 基于最大可能点的摄动法

2．5 基于极大可能点的灵敏度分析

2．6 基于Edgeworth级数的摄动法

2．7 基于Edgeworth级数的灵敏度分析

2．8 响应面模型基础

2．9 本章小结

第3章 涡轮盘低周疲劳寿命预测

3．1 金属疲劳性能及其描述

3．2 局部应力应变法

3．3 局部应力应变确定

3．4 有限元法概述

3．5 有限元法的三维弹塑性问题

3．6 涡轮盘的有限元仿真实践

3．7 低周疲劳寿命预测

3．7 多轴循环应变的影响

3．8 临界面法

3．9 涡轮盘疲劳寿命估算

3．10 本章小结

第4章 服从任意分布的涡轮盘低周疲劳失效概率及其敏感度分析

4．1 概述

4．2 低周疲劳可靠性模型

4．3 恒幅加载下的疲劳失效概率计算

4．4 变幅加载下的疲劳可靠性失效概率计算

4．5 本章小结

第5章 轮盘低周疲劳失效的可靠性鲁棒设计

5．1 引言

5．2 基于灵敏度的可靠性稳健设计

5．3 任意分布参数的可靠性鲁棒设计

5．4 任意分布参数的轮盘低周疲劳可靠性鲁棒设计

5．5 结论

第6章 轮盘系统的相关失效分析

第7章 结论与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢