航空发动机涡轮轴疲劳可靠性建模与分析方法研究

摘要

在制空权愈发重要的今天，航空发动机作为对飞机性能影响最大的关键组件，无疑成为了世界各个工业强国重点研发的对象。在航空发动机性能提升的同时，伴随而来的稳定性、可靠性问题却是非常棘手的，如何在高速、高温、高载荷的情况下保证飞机的安全飞行是各国科研工作者首先要解决的问题。 涡轮轴是发动机组件的核心部件，其主要功能是关联零部件和传递载荷，涡轮轴的工作状态对飞机的安全有着极其重要的影响。由于飞机工作状态的特殊性，在飞行过程中，包括涡轮轴在内的发动机各组件承受的工作载荷十分复杂，且有很大的随机性。一旦涡轮轴出现疲劳失效，将造成不可逆的严重安全事故，因此，航空发动机涡轮轴的寿命将在很大程度上影响飞机的安全飞行寿命。本文以航空发动机涡轮轴为研究对象，对其进行了结构载荷分析、应力应变分析、疲劳寿命预测、可靠性分析及灵敏度分析。 本文的主要工作内容包括以下几个方面： (1)分析涡轮轴的结构以及各个结构之间的物理、逻辑关系，从而确定周围组件对涡轮轴的约束及涡轮轴上的载荷情况。建立涡轮轴实体模型。为了提高计算效率，简化对计算结果影响不大的结构并将其导入ANSYS Workbench有限元分析软件，在此基础上建立涡轮轴的有限元模型。在软件的辅助下，对涡轮轴进行应力应变分析，以此来确定涡轮轴较为薄弱的关键部位。 (2)对目前在实际工程中常用的疲劳寿命预测方法和疲劳可靠性分析方法做了较为详细的归纳总结。选择较为符合实际疲劳破坏机理的多轴疲劳寿命预测方法作为理论基础，开展航空发动机涡轮轴的疲劳寿命预测。在此计算结果的基础上，引入危险部位数目这一参数修正计算结果。同时引入疲劳分散系数的概念，使用小子样涡轮轴疲劳寿命试验数据来估计总体的疲劳寿命。 (3)结合蒙特卡洛仿真方法与疲劳寿命预测数据，对航空发动机涡轮轴进行可靠性分析。通过仿真结果得到了涡轮轴疲劳寿命分布，绘制了试验数据直方图。拟合试验数据确定涡轮轴疲劳寿命概率分布函数及可靠度函数。最后对涡轮轴的可靠性灵敏度进行了分析，找出了对涡轮轴失效概率影响最大的因素。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 涡轮轴国内外研究现状

1.2.2 疲劳寿命分析国内外研究现状

1.2.3 可靠性国内外研究现状

1.3 本文的主要工作及内容

第二章 航空发动机涡轮轴疲劳可靠性分析方法

2.1 引言

2.2 疲劳累积损伤理论

2.3 疲劳寿命预测方法

2.3.1 名义应力法

2.3.2 局部应力应变法

2.3.3 应力场强法

2.3.4 损伤容限法

2.3.5 多轴疲劳法

2.4.1 尺寸效应

2.4.2 平均应力

2.4.3 应力集中

2.4.4 多轴循环应力应变

2.5 疲劳可靠性分析方法

2.5.1 代理模型法

2.5.2 剩余强度法

2.5.3 蒙特卡洛法

2.6 本章小结

第三章 航空发动机涡轮轴应力应变分析

3.1 引言

3.2.1 涡轮轴结构分析

3.2.2 涡轮轴载荷分析

3.3.1 有限元法基本理论

3.3.2 有限元应力应变分析基本原理

3.3.3 有限元软件简介

3.3.4 有限元分析基本流程

3.3.5 涡轮轴实体建模

3.3.6 涡轮轴有限元网格划分

3.3.7 模型材料参数及约束条件确定

3.3.8 载荷分析

3.3.9 求解及后处理

3.4 本章小结

第四章 航空发动机涡轮轴疲劳寿命分析

4.1 引言

4.2 基于临界平面法的多轴疲劳寿命分析

4.2.1 多轴疲劳

4.2.2 临界平面法

4.2.3 确定涡轮轴的临界平面

4.2.4 基于SWT模型的涡轮轴疲劳寿命预测

4.3 危险部位数目对涡轮轴疲劳寿命的影响

4.3.1 考虑危险部位数目对疲劳寿命影响的修正模型

4.3.2 考虑危险部位数目的涡轮轴疲劳寿命预测

4.4 基于小子样试验数据的涡轮轴疲劳寿命预测

4.4.1 疲劳寿命分散系数

4.4.2 小子样疲劳寿命分散系数

4.4.3 小子样数据的涡轮轴疲劳安全循环寿命预测

4.5 本章小结

第五章 航空发动机涡轮轴可靠性分析

5.1 引言

5.2.1 蒙特卡洛仿真的基本原理及流程

5.2.2 蒙特卡洛仿真的基本流程

5.2.3 随机变量分布类型的确定

5.2.4 随机数产生

5.2.5 伪随机数的检验

5.2.6 随机变量抽样值的产生

5.2.7 涡轮轴疲劳寿命分布的确定

5.2.8 涡轮轴疲劳寿命可靠性分析

5.3 基于蒙特卡洛法的涡轮轴可靠性灵敏度分析

5.3.1 基于蒙特卡洛法的可靠性灵敏度计算方法

5.3.2 基于应力-强度干涉的涡轮轴极限状态方程

5.3.2 涡轮轴可靠性灵敏度分析结果

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间参加的科研项目与取得的成果