[发明专利]一种基于分区的涡轮盘疲劳寿命及失效风险评估方法

说明书

本发明涉及一种基于分区的涡轮盘疲劳寿命及失效风险评估方法，步骤：(1)获取涡轮盘几何、载荷、材料随机变量概率分布。(2)进行涡轮盘有限元分析，获取应力和应变分布，并基于温度分布和应力分布形成初始分区。(3)确定每一个区域失效相应的疲劳寿命模型，代入应力分布和应变分布计算每一个区域的失效风险。(4)选定某一疲劳寿命，基于步骤(3)中各区域的失效风险，进行分区优化得到优化后的分区方案。(5)基于优化后分区方案，重复步骤(3)得到每一个区域输入变量和疲劳寿命的第一级响应面；同时建立每一个分区失效寿命和涡轮盘失效寿命的第二级响应面。基于两级响应面模型，利用协同的方法得到涡轮盘概率寿命概率寿命分布和累积概率分布，即不同寿命下涡轮盘失效风险。

技术领域

本发明是一种针对航空发动机涡轮盘结构疲劳概率寿命及失效风险预测方法，它是一种基于分区和协同响应面的涡轮盘结构疲劳概率寿命及失效风险预测方法，属于航空航天发动机技术领域。

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)。传统的可靠性分析方法只考虑危险点处单一失效模式对疲劳寿命的影响，预测精度较差难以指导工程实际应用。

涡轮盘疲劳寿命及失效风险预测时，未考虑涡轮盘不同部位失效模式的差异及其对疲劳寿命的影响，而本发明考虑涡轮盘不同部位对涡轮盘疲劳寿命和失效风险的影响，可以得到具有一定可靠度的涡轮盘疲劳寿命和失效风险，用于涡轮盘可靠性评估。

现有文献Enright M P,Moody J P,Sobotka J C.Optimal automated fracturerisk assessment of 3d gas turbine engine components[C]//ASME Turbo Expo 2016:Turbomachinery Technical Conference and Exposition.American Society ofMechanical Engineers,2016:V07BT29A005-V07BT29A005.中提出了针对发动机轮盘的分区失效风险评估方法，文中从轮盘中缺陷出发进行分区研究，但在分区计算疲劳失效时并未考虑各区域失效模式的差异性，采用统一的疲劳失效模型进行研究；同时在得到各分区失效寿命后，没有考虑各失效之间的相关性对疲劳失效寿命的影响。本发明补充了该发明的不足，在对涡轮盘进行分区后，考虑各区域失效模式的差异性进行疲劳寿命计算，并利用协同响应面方法考虑不同区域失效模式相关性对疲劳寿命的影响。

发明内容

本发明技术解决方案：克服现有技术无法考虑涡轮盘不同部位失效模式的差异及其对疲劳寿命影响的不足，提供了一种考虑涡轮盘不同部位对涡轮盘疲劳寿命和失效风险影响的疲劳寿命预测方法，可以得到具有一定可靠度的涡轮盘疲劳寿命和失效风险，用于涡轮盘可靠性评估。

本发明一种基于分区的涡轮盘疲劳寿命及失效风险评估方法，实现步骤如下：

从涡轮盘几何、载荷、材料等随机变量的分散性出发，结合粉末涡轮盘应力、温度分布及有限元网格进行区域划分，通过引入协同响应面方法量化各区域失效风险相关性对整盘失效的影响，本发明提出基于分区的涡轮盘失效风险研究方法，其流程见图1。

(1)获取随机变量分布：针对涡轮盘可靠性分析中几何、载荷、材料三类随机变量，获取随机变量概率分布。

(2)建立初始分区：对涡轮盘进行有限元网格划分，结合几何、载荷、材料三类随机变量分布施加边界条件进行整盘有限元分析，获取应力分布和应变分布。以有限元网格为基本单元，结合随机变量中温度分布和有限元分析得到的应力分布，对应力和温度分布相近的相邻有限元网格单元进行合并，形成涡轮盘初始分区。