Vliegtuigmotoren zijn typische complexe engineeringsystemen met multidisciplinaire cross-cutting en multi-component sterke koppeling. Ze werken onder hoge temperatuur, hoge druk, hoge snelheid en multi-veld belasting/omgeving, en moeten voldoen aan extreem hoge vereisten voor gebruik, zoals hoge stuwkracht, lichtgewicht, lange levensduur en hoge betrouwbaarheid. Het zijn extreme producten met grote problemen in de ontwikkeling. Als kerncomponent van vliegtuigmotoren zijn de structurele integriteit en betrouwbaarheid van de rotorstructuur de zwakste banden in het ontwerp van het vliegtuigmotor en het knelpunt dat de motorontwikkeling beperkt.
Enerzijds wordt het structurele systeem onderworpen aan harde en complexe aerodynamische, mechanische en thermische belastingen, terwijl mechanica (gasverwarming-solid) interageert en beperkt met materialen, processen en andere disciplines; Aan de andere kant vertoont het structurele leven een grote dispersie, terwijl veilige vlucht een lage faalkans vereist. Op dit moment staat traditionele deterministische ontwerptechnologie voor veel uitdagingen. Probabilistisch ontwerp, als een fijne ontwerpmethode, kan risico's kwantificeren, het gewicht verlagen en de kosten verlagen terwijl het voldoen aan de betrouwbaarheidseisen. Het is een van de meest veelbelovende belangrijke technologieën om het knelpunt van geavanceerde vliegtuigmotorontwikkeling op te lossen. Ontwikkeling van de motorstructurele ontwerp
Het structurele ontwerp van aeroengine heeft het ontwikkelingsproces van statisch sterkteontwerp, veilig levensontwerp, deterministische schade -tolerantieontwerp en structureel probabilistisch ontwerp doorlopen.
Het belangrijkste startpunt van het ontwerp van de statische sterkte is dat de structuur niet breekt onder de gegeven ontwerpbelasting; Na de gebruiksbelasting is er geen zichtbare permanente vervorming na het lossen. Lange tijd in het verleden was het spanningsniveau van de structuur in het verleden zeer laag en de vereisten voor de structurele levensduur waren niet hoog en het ontwerp van de statische sterkte kon voldoen aan de ontwerpvereisten.
In 1954 explodeerde het Britse "komeet" jet vliegtuig en stortte in de zee. De oorzaak van het ongeval was de breukschade veroorzaakt door het vermoeidheidseffect van de metaalstructuur van de romp van het vliegtuig. Dit laat zien dat het ontwerpen van structurele onderdelen volgens statische sterkte niet kan garanderen dat hun veiligheid in gebruik niet kan worden gebruikt, en het probleem van de veilige levensduur van de veilige services moet worden overwogen in structureel ontwerp. Na het ongeval werd de methode voor veiligheidsleven overgenomen in het structurele ontwerp van vliegtuigmotoren.
Het uitgangspunt van een veilige levensontwerp is om aan te nemen dat de structuur een continu uniform lichaam is zonder defecten. Omdat het materiaal een bepaalde dispersie heeft, bepaalt het structurele ontwerp in engineering vaak de gemiddelde levensduur van de structuur door experimenten, en combineert ervaring om een grotere dispersiecoëfficiënt te geven en verkrijgt vervolgens de toelaatbare levensduur van de structuur.
Het Britse ministerie van Defensie Standaard (Def Stan 00-971) vereist dat de curve met een betrouwbaarheid van 99,87% (dwz -3 σ) wordt genomen als de SN -curve die overeenkomt met het veilige leven. The American Aviation Turbojet and Turbofan Engine General Specification (MIL-E-5007D) stipulates that the typical structure of the engine adopts a safe life design, and the allowable strength and life characteristics of the material are based on -3σ, and the corresponding confidence level is 95%, see Figure 1. In terms of civil aircraft, the airworthiness clause FAR33.14 issued by the Federal Aviation Administration (FAA) van de Verenigde Staten vereist dat de levensduur van rotoronderdelen zoals compressoren en turbine -schijven wordt bepaald met behulp van de Safe Life Design -methode; De luchtwaardigheidsvoorschriften Jar-E van de Europese gezamenlijke luchtvaartautoriteit bepalen ook dat de levensduur van motorrotoronderdelen moet worden bepaald door de methode voor veilige levensduur.
De Safe Life Design -methode houdt rekening met de dispersie van de mechanische eigenschappen van de structurele materialen van de motor en vormt een hoge betrouwbaarheid vanuit een probabilistisch perspectief om de veiligheid van de structuur tijdens de dienst te waarborgen. De werkelijke structuur moet echter initiële defecten bevatten, zoals insluitsels, gaten (scheuren) en holtes. Daarom garandeert de veilige levensontwerpmethode de veiligheid en betrouwbaarheid van de structuur niet;
Bovendien is het Safe Life Design een zeer conservatieve ontwerpmethode. Onder het huidige betrouwbaarheidsniveau van 95% en 99,87% betrouwbaarheid, is het mogelijk dat slechts één van de 1, 000 structuren de gespecificeerde scheuren hebben, en de andere 999 zal ook worden beschouwd als het leven van de vermoeidheid en zich terugtrekken uit de dienst, wat resulteert in grote verspilling. Geschat wordt dat meer dan 80% van de schijven die zijn ontworpen met behulp van de Safe Life -methode nog steeds een levensduur hebben van 10 keer of meer nadat hij is geschrapt, dus het is noodzakelijk om meer economisch ontwerp- en evaluatiemethoden te ontwikkelen.
Deterministische schade -tolerantieontwerp kan de problemen met veiligheid en economie bij het ontwerp van de motorstructuur oplossen. Deze methode verschilt van de methode voor het ontwerp van veilige levensduur. Het veronderstelt dat er defecten of kleine scheuren in het materiaal zijn, en ze zullen geleidelijk uitzetten onder de werking van vermoeidheidsbelastingen, wat uiteindelijk leidt tot structureel falen. Deterministische schade -tolerantieontwerp bepaalt de onderhoudscyclus en maximaal toegestane scheurgrootte van de structuur op basis van de gebruiksomstandigheden, materiaaleigenschappen en onderhoudsvereisten van de structuur, regelt het structurele materiaaldefecten en beschadigingsverlenging binnen een redelijk bereik [7], en verbetert effectief de economische efficiëntie van het onderhoud van de motorstructuur.
De structurele integriteit van de US Air Force-engine overzicht (Mil-STD -1783) stelt duidelijk dat schade-tolerantieontwerp, -testen en besturing moeten worden uitgevoerd op belangrijke motorbreukonderdelen om de onderhoudscyclus van de structuur te bepalen. De deterministische schade -tolerantieontwerpmethode is echter moeilijk om de impact van verschillende willekeurige factoren op de levensdispersie nauwkeurig te overwegen en kan de faalkans van de structuur en de gevoeligheid van de invoerparameters echter niet nauwkeurig voorspellen.
De criteria, wetten en methoden die zijn bestudeerd en vastgesteld in het bovenstaande ontwerpproces van de motorstructuur zijn allemaal deterministisch, dat wil zeggen materiaaleigenschappen, productieprocessen, missiegebruik en andere parameters gebruiken vaste waarden, die de vermoeidheidsleven van de structuur niet nauwkeurig kunnen voorspellen. Daarom is het moeilijk om het structurele gewicht, de levensduur- en ontwerpcriteria te optimaliseren en in evenwicht te brengen en het is onmogelijk om een kwantitatieve betrouwbaarheidsindex te geven. De levensvereiste met betrouwbaarheid is een prominent kenmerk van modern motorontwerp en structureel probabilistisch ontwerp is een belangrijke ontwerpmethode om structurele betrouwbaarheid te garanderen.
De structurele probabilistische ontwerpmethode is van mening dat de werkelijke externe belasting op de structuur en de werkelijke draagvermogen van de structuur beide probabilistische hoeveelheden zijn. Het is onmogelijk om tijdens het ontwerp precieze waarden te geven. Ze worden willekeurige variabelen of willekeurige processen genoemd, die een bepaalde verdeling gehoorzamen. Dit als uitgangspunt voor structureel ontwerp [10] kan beter voldoen aan de objectieve realiteit. In het onderzoek van het Integrated High Performance Turbine Engine Technology Program (IHPTET) stelden de Verenigde Staten een probabilistische ontwerpmethode voor en vestigden ze een probabilistisch ontwerpsysteem (PDS) voor het rotorsysteem, dat het structurele ontwerpreserve verminderde tot een aanvaardbaar betrouwbaarheidsniveau en een relatief evenwicht tussen veiligheid en werkcapaciteit, zoals het in figuur 2 -geavanceerde turbine -engine -programma is, het IHPHAND -geavanceerde Turbine -engine -programma (Vaited Turbine Engine -programma (Vabine -programma (Vabine Turbine) Probabilistische vermoeidheid van hoge cyclus van messen als een van de belangrijkste technologieën. Het Amerikaanse engine structurele integriteitsprogramma (Mil-HDBK -1783 b) wees er ook op dat het gebruik van probabilistische ontwerpmarge in plaats van traditionele veiligheidsfactor of deterministische marge de veranderingen in de respons van de component nauwkeuriger kan weergeven. De FAA van de Verenigde Staten heeft de toepassing van het structurele probabilistische ontwerp op het gebied van burgerluchtvaart bevorderd, ter vervanging van FAR33.14 door de luchtwaardigheidsclausule FAR33.70, dat wil zeggen, probabilistische schade-tolerantieontwerp wordt uitgevoerd voor de levensduur van de motor, en het foutenrisico wordt bepaald door het ontwerp van het ontwerprisico te vergelijken.
Om te voldoen aan de prestatievereisten van geavanceerde vliegtuigmotoren, zijn steeds meer nieuwe materialen zoals poederlegeringen, intermetallische verbindingen, keramische materialen, composietmaterialen, enz. Deze materialen hebben duidelijke verbeteringen ten opzichte van traditionele metaallegeringen in bepaalde eigenschappen zoals sterkte, stress, dichtheid, enz., Maar er zijn veel onzekere factoren en nieuwe faalmodi in hun materiaaleigenschappen, en het gebruik van deterministische ontwerpmethoden zal grote afwijkingen produceren. Daarom is het meer noodzakelijk om probabilistische ontwerpmethoden aan te nemen voor typische motorstructuren onder nieuwe materialen, nieuwe structuren en nieuwe processystemen. Belangrijkste technologieën voor probabilistisch ontwerp van typische motorstructuren
1. Probabilistisch model van willekeurige factoren (1) Laaddispersie -vliegtuigmotoren, met name militaire motoren, moeten een groot aantal vluchtmissies voltooien, zoals cruisen, eenvoudige stunts, complexe stunts, formaties, aanval en onderschepping, wat resulteert in een grote dispersie van de werkbelasting van de motorstructuur, zoals mechanische belasting, aerodynamische belasting en temperatuurbelastingen. De oprichting van het motorbelastingskansmodel moet worden gecombineerd met de verwerkingstechnologie van het laadspectrum, en het schadeconversieprincipe zoals motorbelastingsspectrum en structurele belastingspectrum moet worden bestudeerd. Door het verzamelen en verwerken van het motorveldvluchtbelastingsspectrum en het testspectrum, wordt de belastingvariatiewet van de typische motorstructuur in de loop van de tijd verkregen en wordt de statistische theorie gebruikt om de statistische kenmerken van de werkbelastingskans van de typische motorstructuur vast te stellen.
(2) Materiaalverspreiding De verschillen in het bereidingsproces van motorstructurele materialen leiden tot de dispersie van materiaal mechanische prestatieparameters (zoals elastisch model, Poissons ratio, stress-rekcurve, enz.); Tegelijkertijd zijn, vanwege de complexiteit van de verwerkingstechnologie, de materiaaleigenschappen van verschillende delen van de typische motorstructuur ook aanzienlijk verschillend. Daarom is het noodzakelijk om de testgegevens van standaard materiaalspecimens en karakteristieke simulatie -delen van verschillende delen van de structuur te combineren om een waarschijnlijkheidsmodel vast te stellen dat wordt geverifieerd door experimenten.
Om bijvoorbeeld de dispersie van de materiële cyclische stress-rekrelatie aan te pakken, kan de spanning worden ontleed in elastische stamcomponenten en plastic spanningscomponenten, en lineaire vergelijkingen van elastische spanningscomponenten, plastic spanningscomponenten en stress worden respectievelijk vastgesteld. De bovenstaande vergelijkingen worden gerandomiseerd en het waarschijnlijkheidsmodel van cyclische stress-rek wordt vastgesteld door regressiemethode, zoals weergegeven in figuur 3. (3) Verspreidingsprocesverspreiding verwijst naar de structurele dispersie veroorzaakt door willekeurige factoren zoals materiaalbereiding, verwerkingsmethoden en detectietechnologie.
Eerste defect willekeur. For material preparation methods such as forging, casting, and hot isostatic pressing, the number, position, and size of initial defects such as inclusions, holes, and cavities in the material are all random, as shown in Figure 4. Therefore, it is necessary to develop equivalent damage characterization methods for surface/subsurface/internal defects and establish a defect probability model for typical engine structures in different regions. Geometrische dimensie willekeur. De geometrische dimensies van typische motorstructuren zijn willekeurig vanwege de instabiliteit van mechanische verwerkingstechnologie. Daartoe is het noodzakelijk om de belangrijkste geometrische dimensieparameters van typische motorstructuren te bepalen door middel van gevoeligheidsanalyse, en om statistieken uit te voeren over de belangrijkste geometrische dimensies om hun kansverdelingskenmerken vast te stellen.
Residuele stress willekeur. De instabiliteit van verwerkingstechnologie zoals motorische oppervlaktebehandelingstechnologie (zoals shot peening, laserversterking), warmtebehandelingstechnologie (zoals vaste oplossing, veroudering) en andere processen (zoals lineair wrijvingslassen, elektronenstraallassen) leidt tot willekeurige restspanning op het oppervlak en binnen de structuur. Het waarschijnlijkheidsmodel van resterende stress moet systematisch worden bestudeerd door numerieke simulatie, procesinspectie en wiskundige statistieken.
Willekeurigheid van defectdetectietechnologie. Verschillende detectietechnologieën leiden tot willekeur in de grootte en positie van het minimale detecteerbare defect. De kans op defectdetectie (POD) wordt geïntroduceerd om deze willekeur te beschrijven. Door beschadigde monsters te bereiden met voldoende defecttypen, afmetingen en posities, het uitvoeren van defectdetectietests en het opzetten van een wiskundig model van de detectiegegevens, wordt de POD -curve van de detectietechnologie verkregen door statistische verwerking.
2. Typical engine structure Typical engine structures (such as turbine blade structures) are subjected to complex alternating loads/environments of gas-heat-solid multi-fields, and their failure modes are mostly composite fatigue failures, such as fatigue-creep, thermomechanical fatigue, high-low cycle composite fatigue, etc. Therefore, the composite fatigue failure probability model of typical engine structures under complex loads/environments Op basis van experimenten is een belangrijke technologie geworden voor het probabilistische ontwerp van motorstructuren. Het is noodzakelijk om theoretisch onderzoek nauwkeurig te combineren met experimentele verificatie om het mechanisme van de samengestelde faalmodus van typische motorstructuren onder complexe belastingen/omgevingen te onthullen en overeenkomstige methoden voor het voorspelling van composietvermoeidheid te ontwikkelen. Gecombineerd met de dispersie van belastingen, materialen en processen, wordt een samengesteld vermoeidheidsmodel van typische motorstructuren geverifieerd dat door experimenten is geverifieerd.
De structurele sterkte en multidisciplinaire Optimalisatie-onderzoeksgroep van de Universiteit van de Beijing University of Aeronautics en Astronautics neemt de hogedruk turbine-schijf van de WP7-engine (gemaakt van GH33) als het object om te bestuderen en te ontwikkelen van een set waarschijnlijkheidsmodellen en ontwerpmodellen en crack-vorm van crack-vormstraden van Crack-vorm van crack-vormstraden van Crack-vorm van Crack-vorm. Eigenschappen om toepassingen te ontwerpen (Afbeelding 5). 3. Structurele probabilistische responsanalyse Technologie
Het probabilistische ontwerp van typische motorstructuren omvat veel disciplines en complexe structuren. Direct met behulp van numerieke methoden om de waarschijnlijkheid/betrouwbaarheid van structurele fout op te lossen, zal leiden tot een te lange berekeningstijd. Daarom is het vaststellen van een structurele probabilistische responsanalysemethode een belangrijke technologie voor het probabilistische ontwerp van typische motorstructuren.
Op dit moment wordt de responsoppervlakmethode gecombineerd met de Monte Carlo-methode vaak gebruikt om structurele waarschijnlijkheidsresponsanalyse uit te voeren en een set van hoge efficiënte en hoogcisie waarschijnlijkheidsresponsanalysemethoden die geschikt zijn voor typische motorstructuren worden ontwikkeld om het probleem van massieve berekening in structurele waarschijnlijkheidsanalyse op te lossen. Bemonsteringsmethoden zoals de Latin Hypercube-methode, quasi-monte Carlo-methode, Latin Centroid-bemonstering en belangrijke bemonstering kunnen worden gebruikt; Geschatte modelleringsmethoden zoals neuraal netwerk, kriging -model en ondersteuningsvectormachine kunnen worden geselecteerd (figuur 6).
4. Analyse van willekeurige factorgevoeligheid
Door de gevoeligheidsanalyse van willekeurige factoren, enerzijds, kunnen de belangrijkste factoren die de dispersie van de structurele levensduur beïnvloeden, worden bepaald, waardoor een ontwerpbasis voor het probabilistische ontwerp van typische motorstructuren wordt gegeven; Aan de andere kant kunnen willekeurige variabelen met lage gevoeligheidsindicatoren in structurele waarschijnlijkheidsontwerp worden verwerkt in deterministische parameters, waardoor de berekeningstijd wordt bespaard en de efficiëntie van de oplossing wordt verbeterd; De focus op de dispersie van de belangrijkste willekeurige factoren is directer en significanter dan andere factoren bij het verbeteren van de nauwkeurigheid van de oplossing van de waarschijnlijkheid/betrouwbaarheid van structurele faal.
5. Typische structuurkansontwerpsysteem van de motor gericht op het proces van het proces van het luchtvaartmotor van mijn land en het opzetten van een typisch ontwerpplatform van de Aviation Engine Typisch structuur met onafhankelijke intellectuele eigendomsrechten is ook een belangrijke technologie voor het ontwerp van de motorstructuur. De realisatie van het probabilistische ontwerpplatform van de motorstructuur vereist een groot aantal iteratieve berekeningen. Elke verandering in het geometrische model tijdens het berekeningsproces zal de analysegegevens zoals de mesh- en randvoorwaarden dienovereenkomstig veranderen. Daarom zijn de verbindingstechnologie tussen het geometrische model en het analysemodel de automatische reconstructie van het gaas en de automatische lading van het gaas technische problemen die moeten worden opgelost.
For example, the structural strength and multidisciplinary optimization research group of Beihang University uses virtual blocks to replace complex geometric structures to establish flexible multi-block meshes, introduces the constraints of follower points to achieve the mesh reconstruction of the geometric structure in the optimization iteration, and solves the high-precision mesh problem in the multidisciplinary optimization (MDO) process of turbine blades, as Getoond in figuur 7. Met de steun van het National Defense 973 -programma stelde de structurele sterkte en multidisciplinaire onderzoeksgroep voor optimalisatie van de Universiteit van Beihang een turbineschijf probabilistisch ontwerpproces voor op basis van het deterministische ontwerpproces van turbine -schijven en stelde aanvankelijk het eerste turbine -schijfstructureel probabilistisch ontwerpsysteem (TPD's) in China op. Het omvat de hoofdfuncties van het verwerking van het belastingspectrum, willekeurige variabele verwerking, geometrische modellering, faalmodusanalyse en ontwerpbeslissing en integreert commerciële software zoals UG, ANSYS en MATLAB, zoals weergegeven in figuur 8. Verschillende aspecten die verder moeten worden bestudeerd die verder moeten worden bestudeerd
De probabilistische ontwerptechnologie van typische motorstructuren is een van de meest veelbelovende belangrijke technologieën geworden om het knelpunt van geavanceerde motoronderzoek en -ontwikkeling op te lossen. Het wordt geleidelijk gebruikt bij de ontwikkeling van belangrijke delen van geavanceerde aero-motoren in China. Het is lokaal toegepast en het effect begint aan te tonen. In de volgende stap van ontwikkeling moet het volgende onderzoekswerk worden verdiept en versterkt.
1.. Materiaalprocess-structuur Probabilistisch geïntegreerd ontwerp Structureel ontwerp, materiaal en procesintegratie en iteratie zijn de fundamentele paden om het niveau van geavanceerde ontwikkeling van aero-engine te verbeteren. De effectieve toepassing van de structurele probabilistische ontwerptechnologie van de motor is onafscheidelijk van de geïntegreerde overweging van materialen en processen. Daarom moet het probabilistische ontwerp van motorstructuren beginnen bij de bron van het ontwerp, het invloedsmechanisme en regelmatige regulering van typische structurele productie-gevoelige parameters op de betrouwbaarheid van motorstructuren onthullen en een probabilistische ontwerpmethode vormen van typische motorstructuren die de productie-gevoelige parameters integreert, waardoor de theorie en methode van de theorie van de theorie en methode van de theorie van de theorie en methode van de theorie en methode van de theorie en methode van de theorie van de theorie van de theorie en de methode van de theorie van de theorie en de methode van de theorie van de theorie en de methode en de methode van de theorie van het motormateriaal wordt gevormd.
2. Multidisciplinair optimalisatieontwerp op basis van betrouwbaarheid Het structurele ontwerp van aero-machines omvat veel disciplines zoals aerodynamica, materialen, warmteoverdracht, structuur en sterkte. De disciplines zijn gekoppeld aan elkaar. Het probabilistische ontwerp van een enkele discipline kan niet garanderen dat de ontworpen structuur voldoet aan de betrouwbaarheidseisen van het gebruik.
