Flymotorer er typiske komplekse ingeniørsystemer med tverrfaglige tverrskjærende og multikomponent sterk kobling. De fungerer under høy temperatur, høyt trykk, høy hastighet og flerfeltbelastning/miljø, og må oppfylle ekstremt høye krav til bruk som høy skyvekraft, lett vekt, lang levetid og høy pålitelighet. De er ekstreme produkter med store vanskeligheter med utvikling. Som kjernekomponenten i flymotorene er rotorstrukturens strukturelle integritet og pålitelighet de svakeste koblingene i flytemotorutforming og flaskehalsen som begrenser motorutviklingen.
På den ene siden blir det strukturelle systemet utsatt for tøffe og komplekse aerodynamiske, mekaniske og termiske belastninger, mens mekanikk (gassvarme-solid) samhandler og begrenser med materialer, prosesser og andre fagområder; På den annen side viser strukturlivet stor spredning, mens sikker fly krever en sannsynlighet med lav svikt. På dette tidspunktet står tradisjonell deterministisk designteknologi overfor mange utfordringer. Probabilistisk design, som en fin designmetode, kan kvantifisere risikoer, redusere vekten og redusere kostnadene mens du oppfyller pålitelighetskravene. Det er en av de mest lovende nøkkelteknologiene for å løse flaskehalsen for avansert motorutvikling. Motorstrukturell designutvikling
AeroEngine Strukturell design har gått gjennom utviklingsprosessen med statisk styrkedesign, trygg livsdesign, deterministisk skadetoleransedesign og strukturell probabilistisk design.
Det viktigste utgangspunktet med statisk styrkesign er at strukturen ikke bryter under den gitte designbelastningen; Etter bruksbelastningen er det ingen synlig permanent deformasjon etter lossing. I lang tid i det siste, på grunn av den lille motorbelastningen, var stressnivået på strukturen veldig lavt, og kravene til strukturell levetid var ikke høye, og den statiske styrkeutformingen kunne oppfylle designkravene.
I 1954 eksploderte den britiske "kometen" Jet Airliner og krasjet i havet. Årsaken til ulykken var bruddskadene forårsaket av utmattelseseffekten av metallstrukturen til flykroppen. Dette viser at utforming av strukturelle deler i henhold til statisk styrke ikke kan garantere deres sikkerhet i bruk, og problemet med sikker levetid må vurderes i strukturell design. Etter ulykken ble sikkerhetslivsmetoden tatt i bruk i strukturell utforming av flymotorer.
Forutsetningen for sikker livsdesign er å anta at strukturen er en kontinuerlig ensartet kropp uten feil. Fordi materialet har en viss spredning, bestemmer strukturell utforming i prosjektering ofte gjennomsnittlig levetid gjennom eksperimenter, og kombinerer erfaring for å gi en større spredningskoeffisient, og deretter oppnå den tillatte levetiden til strukturen.
Det britiske forsvarsdepartementet (def stan 00-971) krever at kurven med en pålitelighet på 99,87% (dvs. -3 σ) tas som SN -kurven som tilsvarer det sikre livet. Den amerikanske luftfarts-turbojet og Turbofan Motor General Specification (MIL-E -5007 d) bestemmer at den typiske strukturen til motoren vedtar et trygt livsdesign, og den tillatte styrke og livsegenskaper til materialet er basert på {{}} ™ σ, og den tilsvarende tillitsnivået er 95%, se figur 1. Luftfartsadministrasjon (FAA) i USA krever at livet til rotordeler som kompressorer og turbinskiver bestemmes ved bruk av Safe Life Design -metoden; Airworthiness-forskriftene JAR-E for European Joint Aviation Authority bestemmer også at levetiden til motorrotordelene må bestemmes ved Safe Life-metoden.
Safe Life Design -metoden tar hensyn til spredningen av de mekaniske egenskapene til motorens strukturelle materialer, og etablerer en høy pålitelighet fra et sannsynlig perspektiv for å sikre sikkerheten i strukturen under tjenesten. Imidlertid må den faktiske strukturen inneholde innledende defekter som inneslutninger, hull (sprekker) og hulrom. Derfor garanterer ikke Safe Life Design -metoden strukturen og påliteligheten til strukturen;
I tillegg er Safe Life Design en veldig konservativ designmetode. Under det nåværende 95% konfidensnivå og 99,87% pålitelighet, er det mulig at bare en av de 1, 000 strukturene vil ha de spesifiserte sprekkene, og de andre 999 vil også bli ansett for å ha nådd utmattelsens levetid og trekke seg fra tjenesten, noe som resulterer i stort avfall. Det anslås at mer enn 80% av platene designet ved hjelp av Safe Life -metoden fremdeles har en levetid på 10 ganger eller mer etter å ha blitt skrotet, så det er nødvendig å utvikle mer økonomiske design- og evalueringsmetoder.
Deterministisk skadetoleranseutforming kan løse sikkerhets- og økonomiproblemene i motorstrukturdesign. Denne metoden er forskjellig fra Safe Life Design -metoden. Det forutsetter at det er feil eller små sprekker i materialet, og de vil gradvis utvide under virkning av utmattelsesbelastninger, og til slutt føre til strukturell svikt. Deterministisk skadetoleranseutforming bestemmer vedlikeholdssyklusen og maksimal tillatt sprekkstørrelse på strukturen basert på bruksbetingelsene, materialegenskapene og vedlikeholdskravene til strukturen, kontrollerer strukturelle materialfeil og skaderutvidelse innenfor et rimelig område [7], og forbedrer den økonomiske effektiviteten i motorstrukturens vedlikehold av motorstrukturen effektivt.
US Air Force Engine Structural Integrity Outline (MIL-STD -1783) sier tydelig at skader toleranseutforming, testing og kontroll bør utføres på viktige motorbrudddeler for å bestemme vedlikeholdssyklusen til strukturen. Imidlertid er den deterministiske skadetoleransedesignmetoden vanskelig å vurdere effekten av forskjellige tilfeldige faktorer på livsspredning, og kan ikke nøyaktig forutsi sviktsannsynligheten for strukturen og følsomheten til inngangsparametrene.
Kriteriene, lover og metoder som er studert og etablert i den ovennevnte designprosessen for motorstruktur er alle deterministiske, det vil si materielle egenskaper, produksjonsprosesser, oppdragsbruk og andre parametere bruker faste verdier, som ikke nøyaktig kan forutsi utmattelsens levetid for strukturen. Derfor er det vanskelig å optimalisere og balansere strukturell vekt, levetid og designkriterier, og det er umulig å gi en kvantitativ pålitelighetsindeks. Livskravet med pålitelighet er et fremtredende trekk ved moderne motorutforming, og strukturell probabilistisk design er en viktig designmetode for å sikre strukturell pålitelighet.
Den strukturelle sannsynlige designmetoden mener at den faktiske eksterne belastningen som virker på strukturen og den faktiske lagerkapasiteten til strukturen begge er sannsynlige mengder. Det er umulig å gi presise verdier under design. De kalles tilfeldige variabler eller tilfeldige prosesser, som overholder en viss distribusjon. Å ta dette som utgangspunkt for strukturell design [10] kan bedre samsvare med objektiv virkelighet. I forskningen av det integrerte programmet for High Performance Turbine Engine Technology (IHPTET), foreslo USA en sannsynlig designmetode og etablerte et sannsynlig designsystem (PDS) for rotorsystemet, som reduserte den strukturelle designreservatet til et akseptabelt pålitelighetsnivå og sikret en relativt sikkerhet og arbeidsevne, som vist i Figure 2. Følgende) og sikret en relativt balanse og arbeidskapasitet. Probabilistisk utmattelse av høy syklus av kniver som en av de viktigste teknologiene. Det amerikanske motorstrukturelle integritetsprogrammet (MIL-HDBK -1783 b) påpekte også at bruk av probabilistisk designmargin i stedet for tradisjonell sikkerhetsfaktor eller deterministisk margin kan mer nøyaktig representere endringene i komponentrespons. FAA i USA har fremmet anvendelse av strukturell sannsynlighetsdesign innen sivil luftfart, og erstattet FAR33.14 med luftdyktighetsbestemmelsen FAR33.70, det vil si at probabilistisk skadetoleransedesign utføres for motorens livsbegrensende deler, og feilrisikoen bestemmes ved å sammenligne designen til designmålet.
For å oppfylle ytelseskravene til avanserte flymotorer, dukker flere og flere nye materialer som pulverlegeringer, intermetalliske forbindelser, keramiske materialer, komposittmaterialer osv. Disse materialene har åpenbare forbedringer i forhold til tradisjonelle metalllegeringer i visse egenskaper som styrke, stress, tetthet, etc., men det er mange usikre faktorer og nye feilmodus i deres materielle egenskaper, og bruk av deterministiske designmetoder vil gi store avvik. Derfor er det mer nødvendig å ta i bruk sannsynlige designmetoder for typiske motorstrukturer under nye materialer, nye strukturer og nye prosesssystemer. Nøkkelteknologier for sannsynlig design av typiske motorstrukturer
1. Probabilistisk modell av tilfeldige faktorer (1) Last spredningsflymotorer, spesielt militære motorer, må fullføre et stort antall flyoppdrag som cruising, enkle stunts, komplekse stunts, formasjoner, angrep og avskjæring, noe Etableringen av sannsynlighetsmodellen for motorbelastning må kombineres med belastningsspektrumbehandlingsteknologi, og skadekonverteringsprinsippet som motorbelastningsspektrum og strukturell belastningsspektrum bør studeres. Ved å samle og behandle motorfeltflyklastspekteret og testspekteret, oppnås belastningsvariasjonsloven for den typiske motorstrukturen over tid, og den statistiske teorien brukes til å etablere statistiske egenskaper for arbeidsbelastnings sannsynlighet for den typiske motorstrukturen.
(2) materialspredning Forskjellene i preparatprosessen for motorstrukturmaterialer fører til spredning av materialmekaniske ytelsesparametere (for eksempel elastisk modell, Poissons forhold, stress-belastningskurve, etc.); Samtidig, på grunn av kompleksiteten i prosesseringsteknologien, er materialegenskapene til forskjellige deler av den typiske motorstrukturen også betydelig forskjellige. Derfor er det nødvendig å kombinere testdataene til standardmateriale prøver og karakteristiske simuleringsdeler av forskjellige deler av strukturen for å etablere en sannsynlighetsmodell bekreftet etter eksperimenter.
For eksempel for å håndtere spredning av det materielle sykliske stress-belastningsforholdet, kan belastningen dekomponeres i elastiske stammekomponenter og plaststammekomponenter, og lineære ligninger av elastiske stammekomponenter, plaststammekomponenter og stress er etablert. Ovennevnte ligninger er randomisert og sannsynlighetsmodellen for syklisk stress-belastning er etablert ved regresjonsmetode, som vist i figur 3. (3) Prosessdispersjonsprosessdispersjon refererer til den strukturelle spredningen forårsaket av tilfeldige faktorer som materialforberedelse, prosesseringsmetoder og deteksjonsteknologi.
Opprinnelig defekt tilfeldighet. For materialforberedelsesmetoder som smiing, støping og varm isostatisk pressing, antall, plassering og størrelse på innledende defekter som inneslutninger, hull og hulrom i materialet er alle tilfeldige, som vist i figur 4. Derfor er det nødvendig å utvikle ekvivalente skaderekarakteriseringsmetoder for overflate/undergjerning/interne defekter og etablere en defekt sannsynlighet for modeller for å modellere for en defekt. Geometrisk dimensjon Tilfeldighet. De geometriske dimensjonene til typiske motorstrukturer er tilfeldige på grunn av ustabiliteten i mekanisk prosesseringsteknologi. For dette formål er det nødvendig å bestemme de viktigste geometriske dimensjonsparametrene til typiske motorstrukturer gjennom sensitivitetsanalyse, og å utføre statistikk over de viktigste geometriske dimensjonene for å etablere deres sannsynlighetsfordelingsegenskaper.
Rest stress tilfeldighet. Ustabiliteten til prosesseringsteknologi som motorstrukturoverflatebehandlingsteknologi (som skudd peening, laserforsterkning), varmebehandlingsteknologi (for eksempel fast løsning, aldring) og andre prosesser (for eksempel lineær friksjonssveising, sveising av elektronstrål) fører til tilfeldig restspenning på overflaten og inne i strukturen. Sannsynlighetsmodellen for gjenværende stress må systematisk studeres gjennom numerisk simulering, prosessinspeksjon og matematisk statistikk.
Tilfeldighet av defektdeteksjonsteknologi. Ulike deteksjonsteknologier fører til tilfeldighet i størrelsen og plasseringen av minimums detekterbare defekten. Sannsynligheten for defektdeteksjon (POD) blir introdusert for å beskrive denne tilfeldigheten. Ved å utarbeide skadede prøver med tilstrekkelige defekttyper, størrelser og posisjoner, gjennomføre defektdeteksjonstester og etablere en matematisk modell av deteksjonsdata, oppnås POD -kurven for deteksjonsteknologi ved statistisk prosessering.
2. Typiske motorstruktur Typiske motorstrukturer (for eksempel turbinbladkonstruksjoner) blir utsatt for komplekse vekslende belastninger/miljøer med gassvarme-solid multifield, og deres feilmodus er stort sett komposittutmattingsfeil, som utmattethet, som er i komplekse mot-å bruke Bli en nøkkelteknologi for den sannsynlige utformingen av motorstrukturer. Det er nødvendig å kombinere teoretisk forskning med eksperimentell verifisering for å avsløre mekanismen for den sammensatte svikt -modus for typiske motorstrukturer under komplekse belastninger/miljøer og utvikle tilsvarende sammensatte utmattelseslivsprediksjonsmetoder. Kombinert med spredning av belastninger, materialer og prosesser, etableres en sannsynlighetsmodell for sammensatt utmattelsessvikt av typiske motorstrukturer som er bekreftet ved eksperimenter.
Strukturell styrke og tverrfaglig optimaliseringsforskningsgruppe ved Beijing University of Aeronautics and Astronautics tar høytrykksturbin-disken til WP7-motoren (laget av GH33) som objekt for å studere og utvikle et sett med sannsynlighet og modeller som har vært å ha vært utmattet med å bruke opptreden, inkludert feil i crack-flekken og har vært for å ha vært for å bruke. Materialegenskaper for å designe applikasjoner (figur 5). 3. Strukturell probabilistisk responsanalyseteknologi
Den sannsynlige utformingen av typiske motorstrukturer involverer mange fagområder og komplekse strukturer. Direkte ved bruk av numeriske metoder for å løse strukturell svikt -sannsynlighet/pålitelighet vil resultere i for lang beregningstid. Derfor er det å etablere en strukturell probabilistisk responsanalysemetode en nøkkelteknologi for den sannsynlige utformingen av typiske motorstrukturer.
For tiden brukes ofte responsoverflatemetoden kombinert med Monte Carlo-metoden for å utføre strukturell sannsynlighetsresponsanalyse, og et sett med høyeffektivitet og høy presisjonssannsynlighetsresponsanalysemetoder egnet for typiske motorstrukturer er utviklet for å løse problemet med massiv beregning i strukturell sannsynlighetsanalyse. Prøvetakingsmetoder som latin Hypercube-metode, Quasi-Monte Carlo-metode, latin centroid-prøvetaking og viktig prøvetaking kan brukes; Omtrentlig modelleringsmetoder som nevralt nettverk, Kriging -modell og støttevektormaskin kan velges (figur 6).
4. Tilfeldige faktorfølsomhetsanalyse
Gjennom sensitivitetsanalysen av tilfeldige faktorer, på den ene siden, kan hovedfaktorene som påvirker spredningen av strukturell levetid bestemmes, noe som gir et designgrunnlag for den sannsynlige utformingen av typiske motorstrukturer; På den annen side kan tilfeldige variabler med lav følsomhetsindikatorer i strukturell sannsynlighetsdesign behandles til deterministiske parametere, og dermed spare beregningstid og forbedre løsningseffektiviteten; Å fokusere på spredning av de viktigste tilfeldige faktorene er mer direkte og signifikant enn andre faktorer for å forbedre løsningsnøyaktigheten av strukturell sviktsannsynlighet/pålitelighet.
5. Motor Typisk struktur Sannsynlighetsdesignsystem som sikter mot mitt lands luftfartsmotormateriale Prosesssystem, å etablere en luftfartsmotor Typisk struktur Sannsynlighetsdesignplattform med uavhengige immaterielle rettigheter er også en nøkkelteknologi for sannsynlighetsdesign for motorstruktur. Realiseringen av motorstrukturens sannsynlige designplattform krever et stort antall iterative beregninger. Hver endring i den geometriske modellen under beregningsprosessen vil føre til at analysedataene som nettet og grensebetingelsene endres deretter. Derfor er tilkoblingsteknologien mellom den geometriske modellen og analysemodellen, den automatiske rekonstruksjonen av nettet og automatisk lasting av nettet tekniske vanskeligheter som må løses.
For eksempel bruker den strukturelle styrken og den tverrfaglige optimaliseringsforskningsgruppen ved Beihang University virtuelle blokker for å erstatte komplekse geometriske strukturer for å etablere fleksible multiblokkmasker, introduserer begrensningene av følgerpunktene for å oppnå den høypresisjonen av den geometriske strukturen i optimaliseringen og løser den høypresisjonen av den geometriske strukturen i den multain-optimaliseringen i å oppnå den høye. Som vist i figur 7. Med støtte fra National Defense 973 -programmet foreslo og etablerte den strukturelle styrken og tverrfaglige optimaliseringsforskningsgruppen ved Beihang University en turbinskivprobabilistisk designprosess basert på den deterministiske designprosessen til turbinskiver, og opprinnelig etablerte den første turbinskiven Structural Probabilistic Design System (TPDS) i Kina. Det inkluderer hovedfunksjonene for belastningsspektrumbehandling, tilfeldig variabelbehandling, geometrisk modellering, feilmodusanalyse og designbeslutning, og integrerer kommersiell programvare som UG, ANSYS og MATLAB, som vist i figur 8. Flere aspekter som må studeres videre
Den sannsynlige designteknologien til typiske motorstrukturer har blitt en av de mest lovende nøkkelteknologiene for å løse flaskehalsen for avansert motorforskning og utvikling. Det brukes gradvis i utviklingen av viktige deler av avanserte luftmotorer i Kina. Det har blitt brukt lokalt, og effekten begynner å vise. I neste utviklingstrinn må følgende forskningsarbeid bli utdypet og styrket.
1. Material-prosess-struktur Probabilistic Integrated Design Structural Design, Material and Process Integration and Iteration er de grunnleggende banene for å forbedre nivået av avansert aero-motorutvikling. Effektiv anvendelse av motorstrukturell probabilistisk designteknologi er uatskillelig fra integrert vurdering av materialer og prosesser. Derfor må den sannsynlige utformingen av motorstrukturer starte fra designkilden, avsløre påvirkningsmekanismen og regelmessig regulering av typiske strukturelle produksjonsfølsomme parametere på påliteligheten av motorstrukturer, og danner en sannsynlig designmetode for typiske motorstrukturer som integrerer produksjonssensitive parametere, derved å etablere teorien og metoden for motoren for motor-process-prot-prot-protucture-proture-prot-prot-proture-protuctucture-strukturering.
2. Flerfaglig optimaliseringsdesign basert på pålitelighet Strukturell utforming av aero-motorer involverer mange fagområder som aerodynamikk, materialer, varmeoverføring, struktur og styrke. Disiplinene er koblet med hverandre. Den sannsynlige utformingen av en enkelt disiplin kan ikke garantere at den designet strukturen oppfyller pålitelighetskravene til bruk.
