一种航空发动机轮盘疲劳寿命非局部概率设计方法

摘要

本发明公开了一种航空发动机轮盘疲劳寿命非局部概率设计方法，该方法首先对轮盘进行应力/应变分析；然后进行轮盘不同部位材料疲劳试验，建立概率寿命模型，并利用材料微观参量进行修正；针对轮盘应力集中部位，设计结构模拟件并进行试验，研究几何尺寸效应和统计尺寸效应对疲劳寿命的影响，并给出概率分析结果；最后对轮盘进行区块划分，采用非局部概率寿命分析方法对各区块开展疲劳寿命概率分析，给出对轮盘疲劳失效影响最大的局部结构，然后进行后续的针对性的优化设计。本发明同时考虑了轮盘局部应力集中和材料体积差异对疲劳寿命的影响；通过对轮盘进行区块划分体现轮盘部位不同材料组织性能的差异，实现了对轮盘全面精确的寿命可靠性评估。

说明书

技术领域

本发明属于航空航天发动机技术领域，具体涉及一种航空发动机轮盘疲劳寿命的非局部概率设计方法，它是一种能够考虑轮盘局部应力集中和材料体积差异对疲劳寿命的影响的设计方法。

背景技术

航空发动机是一种极限产品，工作在高温、高压、高转速等的复杂载荷/环境下；发动机性能及安全性指标的提高，要求发动机重量轻、长寿命、高可靠性(如，安全飞行对发动机结构件则要求低的破坏概率，可达10^-5-10^-7次/飞行小时)。在这种情况下，保证轮盘的寿命和可靠性成为发动机研制的制约瓶颈，而轮盘疲劳寿命概率分析技术则是先进航空发动机轮盘实现量化风险和提升性能的唯一途径，该技术是在保证一定可靠度的前提下将设计安全储备降到可接受的水平，保证安全性和工作能力的相对平衡。因此，针对轮盘开展全面精确的寿命可靠性评估，是军民用发动机提升性能和保证安全的必要手段。

目前轮盘的寿命可靠性评估往往采用较为传统的“热点法”(Hot Spot Method)，又称为“危险点法”，方法以结构危险点为研究对象，将危险点的寿命水平作为结构整体的寿命评估结果。这样的寿命概率分析法忽略了轮盘的复杂应力状态、复杂几何结构和不同部位材料性能的差异，不能综合量化轮盘整体失效风险，随着航空发动机性能和安全性要求的不断提升，其局限性越来越明显。

首先，热点法选取的单个危险点，无法体现由于锻造、热处理等工艺引起的轮盘不同部位材料性能的差异。其次，实际轮盘结构中往往存在螺栓孔、通气孔、封严蓖齿等易产生应力集中的几何特征，在这种情况下采用热点法进行寿命评估忽略了应力梯度对疲劳寿命的影响，往往会给出过于保守的结果，容易造成结构冗余，不利于满足发动机的性能指标和充分挖掘结构的性能。

发明内容

本发明要解决技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种轮盘疲劳寿命非局部概率分析方法，能够综合考虑全盘的整体失效风险，给出更为精确的概率寿命分析结果。

本发明采用的技术方案为：一种航空发动机轮盘疲劳寿命非局部概率设计方法，实现步骤如下：

步骤(1)、轮盘不同部位材料疲劳试验与微观参数统计分析：首先对轮盘进行有限元分析，将轮盘的材料属性和确定性载荷输入，进行轮盘结构的详细三维应力、应变分析分析，得到轮盘结构的应变、应力、位移的分析结果。然后，针对轮盘结构的可能发生疲劳失效的危险部位，设计标准试样并自轮盘盘坯不同部位取样，通过开展试样对应的轮盘载荷条件下(工作温度、应力水平)的疲劳试验，获取不同部位的疲劳性能曲线。通过金相组织分析、扫描电镜(SEM)观察等手段，获取轮盘不同部位的微观参量(包括但不限于晶粒尺寸，强化相含量、形态等)，然后对比轮盘不同部位不同微观参量与材料疲劳寿命之间的相关性，筛选得到与疲劳寿命相关性较高的微观参量。

步骤(2)、概率寿命模型建模：基于轮盘不同部位取样的标准试样疲劳试验数据，通过对寿命模型中的材料参数的分布进行假设，或者假设输入载荷参数和寿命的分布类型并将试验数据作为整体进行分析，实现寿命模型的概率化，从而建立相应的概率寿命模型；然后基于微观参量相关性分析结果，结合微观参量对材料疲劳寿命的影响机理，通过引入微观参量，对概率寿命模型进行合理的修正，保证寿命模型确定性预测结果精度得到一定的提高，能够更准确地反映轮盘不同部位材料的微观参量对疲劳寿命的影响。

步骤(3)、轮盘结构模拟件设计及疲劳试验：针对实际轮盘结构中存在的螺栓孔、通气孔、封严蓖齿等易产生应力集中的部位，设计多层次的结构模拟件并开展疲劳试验。模拟件的尺寸应当与轮盘实际结构相同，或者设计多个尺寸比例的模拟件，以得到准确的疲劳寿命变化趋势，用于研究材料体积效应的影响。模拟件的结构应当参考轮盘应力集中部位的几何特征，在加载对应的载荷和温度之后，模拟件的应力分布特点应当和轮盘相应应力集中部位接近，以得到准确的疲劳寿命。通过对轮盘应力集中部位的疲劳寿命进行试验评估，考虑不同应力梯度状况和材料体积对应力分布的影响，得到应力集中部位的疲劳寿命。

步骤(4)、非局部概率寿命分析方法建模：基于材料的标准件试验和结构模拟件试验数据，结合非局部疲劳寿命评估方法，建立相应的非局部概率寿命模型。在概率寿命模型的基础上，研究几何尺寸效应和统计尺寸效应对疲劳寿命的影响，并且给出疲劳寿命的概率分析结果。当概率寿命模型给出的分散性与试验数据的实际分散明显不同时，说明概率寿命分析结果给出的是概率寿命上限值或者下限值，可以为后续轮盘结构的寿命可靠性评估提供依据。

步骤(5)、轮盘疲劳寿命非局部概率分析：结合轮盘有限元分析结果，对轮盘进行区块划分，根据轮盘的结构形式、材料性能分布和应力温度分布特点，结合微观参量对疲劳寿命影响分析结果、考虑几何尺寸效应和统计尺寸效应的概率寿命分析结果，将轮盘划分为多个有明显区分度的区块。将轮盘各区块分析结果数据导出分别进行概率寿命分析，采用建立的非局部概率寿命分析方法对轮盘整体及各区块分别开展疲劳寿命概率分析，给出轮盘整体的失效风险，分析各区块对轮盘整体失效风险的贡献比例，为进一步的轮盘结构优化和工艺优化提供参考。在得到各区块对轮盘整体失效风险的贡献比例之后，可以采用其他区块划分方式，继续分析轮盘各区块对轮盘整体失效风险的影响，最终得到给定的微观参量、轮盘尺寸下，对轮盘疲劳失效影响最大的局部结构，然后进行后续的针对性的优化设计。

本发明的原理在于：轮盘不同部位材料疲劳试验与微观参数统计分析、概率寿命模型建模、轮盘结构模拟件设计及疲劳试验、非局部概率寿命分析方法建模、轮盘疲劳寿命非局部概率分析五个部分。非局部概率分析考虑了对轮盘疲劳寿命精准分析有着显著影响的材料微观参量、应力梯度效应和几何效应，将轮盘区块对整体失效的影响和轮盘整体失效风险作为设计决策目标，若不满足设计指标，则重新修改轮盘局部结构设计直到满足设计要求。

附图说明

图1为本发明一种航空发动机轮盘疲劳寿命非局部概率设计方法的流程图。

图2为某轮盘几何模型；

图3为某轮盘有限元分析应变分布，其中，图3(a)为等效应变，图3(b)为周向应变；

图4为寿命模型示意图，其中，图4(a)为未修正寿命模型，图4(b)为晶粒尺寸修正寿命模型；

图5为某轮盘区块划分示意图；

图6为某轮盘寿命-可靠度曲线(最大平均晶粒尺寸值)；

图7为某轮盘寿命-可靠度曲线(考虑区块组织性能差异)。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明轮盘疲劳寿命非局部概率设计方法的技术方案做进一步说明。

考虑对轮盘疲劳寿命精准分析有着显著影响的材料微观参量、应力梯度效应和几何效应，结合非局部概率寿命分析方法和轮盘区块划分反复，本发明提出的轮盘疲劳寿命非局部概率设计方法，其流程见图1。

步骤(1)轮盘不同部位材料疲劳试验与微观参数统计分析：首先对轮盘进行有限元分析，将轮盘的材料属性和确定性载荷输入，进行轮盘结构的详细三维应力、应变分析分析，得到轮盘结构的应变、应力、位移的分析结果。然后，针对轮盘结构的可能发生疲劳失效的危险部位，设计标准试样并自轮盘盘坯不同部位取样，通过开展试样对应的轮盘载荷条件下(工作温度、应力水平)的疲劳试验，获取不同部位的疲劳性能曲线。通过金相组织分析、扫描电镜(SEM)观察等手段，获取轮盘不同部位的微观参量(包括但不限于晶粒尺寸，强化相含量、形态等)，然后对比轮盘不同部位不同微观参量与材料疲劳寿命之间的相关性，筛选得到与疲劳寿命相关性较高的微观参量。某型发动机某一级轮盘如图2所示，有限元分析应变分布如图3所示，最大等效应变和最大周向应变均出现在螺栓孔孔边，最大等效应变0.0072844，最大周向应变0.0073341。从盘心到盘缘等间距取样并进行组织分析，发现材料的平均晶粒尺寸分别为4.99μm、6.25μm、7.52μm、8.78μm、10.04μm。

步骤(2)概率寿命模型建模：基于轮盘不同部位取样的标准试样疲劳试验数据，通过对寿命模型中的材料参数的分布进行假设，或者假设输入载荷参数和寿命的分布类型并将试验数据作为整体进行分析，实现寿命模型的概率化，从而建立相应的概率寿命模型；然后基于微观参量相关性分析结果，结合微观参量对材料疲劳寿命的影响机理，通过引入微观参量，对概率寿命模型进行合理的修正，保证寿命模型确定性预测结果精度得到一定的提高，能够更准确地反映轮盘不同部位材料的微观参量对疲劳寿命的影响。通过轮盘不同部位材料低循环疲劳寿命，采用概率分析方法，建立了轮盘材料概率寿命模型，由于数据分散性过大，导致概率寿命模型的确定性精度较低，因此引入了平均晶粒尺寸对现有的确定性寿命模型进行修正，寿命模型的预测结果分散带由60.46倍降低到5.49倍，如图4所示；采用回归分析方法进一步对确定性的晶粒尺寸修正寿命模型进行了概率化，在保证确定性寿命预测结果精度(ΔN＝5.52)的同时，实现了对疲劳寿命数据分散性的定量描述。

步骤(3)轮盘结构模拟件设计及疲劳试验：针对实际轮盘结构中存在的螺栓孔、通气孔、封严蓖齿等易产生应力集中的部位，设计多层次的结构模拟件并开展疲劳试验。模拟件的尺寸应当与轮盘实际结构相同，或者设计多个尺寸比例的模拟件，以得到准确的疲劳寿命变化趋势，用于研究材料体积效应的影响。模拟件的结构应当参考轮盘应力集中部位的几何特征，在加载对应的载荷和温度之后，模拟件的应力分布特点应当和轮盘相应应力集中部位接近，以得到准确的疲劳寿命。通过对轮盘应力集中部位的疲劳寿命进行试验评估，考虑不同应力梯度状况和材料体积对应力分布的影响，得到应力集中部位的疲劳寿命。针对轮盘螺栓孔应力集中部位，设计了不同尺寸比例的中心圆孔平板试样模拟螺栓孔部位的应力分布，通过开展疲劳试验评估了轮盘应力集中部位的疲劳寿命，同时研究了结构尺寸比例对疲劳寿命的影响。

步骤(4)非局部概率寿命分析方法建模：基于材料的标准件试验和结构模拟件试验数据，结合非局部疲劳寿命评估方法，建立相应的非局部概率寿命模型。在概率寿命模型的基础上，研究几何尺寸效应和统计尺寸效应对疲劳寿命的影响，并且给出疲劳寿命的概率分析结果。当概率寿命模型给出的分散性与试验数据的实际分散明显不同时，说明概率寿命分析结果给出的是概率寿命上限值或者下限值，可以为后续轮盘结构的寿命可靠性评估提供依据。考虑几何尺寸效应和统计尺寸效应对疲劳寿命的影响，通过概率寿命分析方法，建立对几何尺寸效应和统计尺寸效应的描述均具有较高的精度的疲劳概率寿命模型。

步骤(5)轮盘疲劳寿命非局部概率分析：结合轮盘有限元分析结果，对轮盘进行区块划分，根据轮盘的结构形式、材料性能分布和应力温度分布特点，结合微观参量对疲劳寿命影响分析结果、考虑几何尺寸效应和统计尺寸效应的概率寿命分析结果，将轮盘划分为多个有明显区分度的区块。将轮盘各区块分析结果数据导出分别进行概率寿命分析，采用建立的非局部概率寿命分析方法对轮盘整体及各区块分别开展疲劳寿命概率分析，给出轮盘整体的失效风险，分析各区块对轮盘整体失效风险的贡献比例，为进一步的轮盘结构优化和工艺优化提供参考。在得到各区块对轮盘整体失效风险的贡献比例之后，可以采用其他区块划分方式，继续分析轮盘各区块对轮盘整体失效风险的影响，最终得到给定的微观参量、轮盘尺寸下，对轮盘疲劳失效影响最大的局部结构，然后进行后续的针对性的优化设计。

将轮盘各部位分析结果数据导出分别进行概率寿命分析，将轮盘划分为盘心区块1、第一区块2、第二区块3、螺栓孔区块4、榫接区块5，总共五个部分，如图5所示。在最大转速状态，盘心危险点的周向应变为0.0060541，与此时孔边危险点的周向应变0.0072844相当，两个区块都会对轮盘整体结构贡献较多的失效风险。轮盘不同部位的微观组织存在明显差异，进而导致不同部位的疲劳性能存在明显差异。如果考虑最危险的情况，即轮盘的晶粒尺寸取光滑圆棒试样平均晶粒尺寸的最大值10.04μm时，可以计算得到寿命-可靠度曲线如图6所示，轮盘的中值寿命为52674循环。轮盘从盘心到盘缘存在晶粒尺寸从小到大的微观组织梯度。盘心区块1晶粒尺寸取光滑圆棒试样平均晶粒尺寸的最小值，盘缘区块5晶粒尺寸取光滑圆棒试样平均晶粒尺寸的最大值，其他区块晶粒尺寸取最大值与最小值之间的线性插值结果。可以计算得到寿命-可靠度曲线如图7所示，轮盘的中值寿命为877669循环。

方法可以考虑螺栓孔部位应力梯度和材料体积差异对轮盘疲劳寿命的影响，通过对轮盘进行区块划分，可以考虑盘不同部位的材料性能差异，对各区块对轮盘整体有效损伤的贡献进行评估；对于轮盘，螺栓孔区块和盘心区块均对轮盘整体贡献了较多的失效风险；考虑盘心到盘缘晶粒尺寸依次递减与取最大值分析相比，可靠度0.9987对应的寿命提升了66.63％；以轮盘单一危险点为研究对象的传统概率寿命评估方法，既容易造成轮盘材料冗余重量超标，又无法确保轮盘的绝对安全，有必要采用非局部概率寿命设计方法对轮盘结构开展更为全面精确的失效风险分析。

提供以上实施示例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。