[发明专利]一种航空发动机轮盘疲劳寿命非局部概率设计方法

说明书

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。

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，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。