Flymotorer er typiske komplekse ingeniørsystemer med multidisciplinær tværgående og multi-komponent stærk kobling. De arbejder under høj temperatur, højt tryk, høj hastighed og multi-feltbelastning/miljø og skal opfylde ekstremt høje krav til brug, såsom højt tryk, let vægt, lang levetid og høj pålidelighed. De er ekstreme produkter med store vanskeligheder i udviklingen. Som kernekomponenten i flysmotorer er den strukturelle integritet og pålidelighed af rotorstrukturen de svageste forbindelser i flysmotorens design og flaskehalsen begrænser motorudviklingen.
På den ene side udsættes det strukturelle system for barske og komplekse aerodynamiske, mekaniske og termiske belastninger, mens mekanik (gasvarme-solid) interagerer og begrænser materialer, processer og andre discipliner; På den anden side viser den strukturelle liv stor spredning, mens sikker flyvning kræver en lav fejlsandsynlighed. På dette tidspunkt står traditionel deterministisk designteknologi over for mange udfordringer. Probabilistisk design, som en fin designmetode, kan kvantificere risici, reducere vægten og reducere omkostningerne, mens man opfylder pålidelighedskravene. Det er en af de mest lovende nøgleteknologier til at løse flaskehalsen for avanceret udvikling af flysmotoren. Motorstrukturel designudvikling
Aeroengine Structural Design har gennemgået udviklingsprocessen med statisk styrkedesign, sikkert livsdesign, deterministisk skadetolerance design og strukturelt probabilistisk design.
Det vigtigste udgangspunkt for statisk styrkedesign er, at strukturen ikke bryder under den givne designbelastning; Efter brugsbelastningen er der ingen synlig permanent deformation efter losning. I lang tid i fortiden på grund af den lille motorbelastning var stressniveauet for strukturen meget lavt, og kravene til det strukturelle liv var ikke høje, og det statiske styrkedesign kunne opfylde designkravene.
I 1954 eksploderede den britiske "Comet" Jet Airliner og styrtede ned i havet. Årsagen til ulykken var brudskadene forårsaget af træthedseffekten af metalstrukturen i flyets flykrop. Dette viser, at design af strukturelle dele i henhold til statisk styrke ikke kan garantere deres sikkerhed i brug, og problemet med sikker levetid skal overvejes i strukturelt design. Efter ulykken blev sikkerhedslivsmetoden vedtaget i den strukturelle design af flysmotorer.
Forudsætningen for sikkert livsdesign er at antage, at strukturen er et kontinuerligt ensartet legeme uden mangler. Da materialet har en vis spredning, bestemmer det strukturelle design i teknik ofte strukturens gennemsnitlige levetid gennem eksperimenter og kombinerer erfaring for at give en større spredningskoefficient og får derefter den tilladte levetid for strukturen.
Det britiske forsvarsministerium (def stan 00-971) kræver, at kurven med en pålidelighed på 99,87% (dvs. -3 σ) tages som SN -kurven, der svarer til det sikre liv. 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 Luftfartsadministration (FAA) i De Forenede Stater kræver, at levetiden for rotordele såsom kompressorer og turbinedisker bestemmes ved hjælp af den sikre livsdesignmetode; Luftdygtighedsreglerne JAR-E fra den europæiske fælles luftfartsmyndighed bestemmer også, at levetiden for motorrotordele skal bestemmes ved hjælp af Safe Life-metoden.
Metoden med sikker livsdesign tager højde for spredningen af de mekaniske egenskaber ved motorstrukturelle materialer og skaber en høj pålidelighed fra et sandsynligt perspektiv for at sikre strukturenes sikkerhed under service. Imidlertid skal den faktiske struktur indeholde indledende defekter såsom indeslutninger, huller (revner) og hulrum. Derfor garanterer den sikre livsdesignmetode ikke strukturen og pålideligheden af strukturen;
Derudover er det sikre livsdesign en meget konservativ designmetode. I henhold til det nuværende 95% konfidensniveau og 99,87% pålidelighed er det muligt, at kun en af de 1, 000 strukturer vil have de specificerede revner, og de andre 999 vil også blive betragtet som at have nået træthedslivet og trukket tilbage fra tjenesten, hvilket resulterer i stort affald. Det anslås, at mere end 80% af diske, der er designet ved hjælp af Safe Life -metoden, stadig har et liv på 10 gange eller mere efter at have været skrotet, så det er nødvendigt at udvikle mere økonomiske design- og evalueringsmetoder.
Deterministisk skadetolerance -design kan løse sikkerheds- og økonomiproblemerne i design af motorstrukturen. Denne metode er forskellig fra den sikre livsdesignmetode. Det antager, at der er defekter eller små revner i materialet, og de vil gradvist udvide under virkning af træthedsbelastninger, hvilket til sidst fører til strukturel svigt. Deterministisk skadetolerance -design bestemmer vedligeholdelsescyklus og maksimal tilladte revnestørrelse af strukturen baseret på brugsbetingelserne, materialegenskaber og vedligeholdelseskrav i strukturen, kontrollerer de strukturelle materielle defekter og skaderudvidelse inden for et rimeligt interval [7] og forbedrer effektivt den økonomiske effektivitet af vedligeholdelse af motorstrukturen.
Den amerikanske luftvåbenmotor Strukturel integritetskontor (MIL-STD -1783) angiver klart, at skadetolerance-design, test og kontrol skal udføres på nøglemotorfrakturdele for at bestemme strukturens vedligeholdelsescyklus. Imidlertid er den deterministiske skadetolerance -designmetode vanskelig at nøjagtigt overveje virkningen af forskellige tilfældige faktorer på livsdispersion og kan ikke nøjagtigt forudsige fejlsandsynligheden for strukturen og følsomheden af inputparametrene.
De kriterier, love og metoder, der er undersøgt og etableret i ovennævnte motorstrukturdesignproces, er alle deterministiske, dvs. materielle egenskaber, fremstillingsprocesser, missionsbrug og andre parametre bruger faste værdier, som ikke nøjagtigt kan forudsige strukturens træthedsliv. Derfor er det vanskeligt at optimere og afbalancere den strukturelle vægt, levetid og designkriterier, og det er umuligt at give et kvantitativt pålidelighedsindeks. Livskravet med pålidelighed er et fremtrædende træk ved moderne motordesign, og strukturelt sandsynlighedsdesign er en vigtig designmetode for at sikre strukturel pålidelighed.
Den strukturelle sandsynlighedsmetode mener, at den faktiske eksterne belastning, der virker på strukturen og strukturens faktiske lejekapacitet, er begge sandsynlige mængder. Det er umuligt at give præcise værdier under design. De kaldes tilfældige variabler eller tilfældige processer, som overholder en bestemt distribution. At tage dette som udgangspunkt for strukturelt design [10] kan bedre overholde en objektiv virkelighed. In the research of the Integrated High Performance Turbine Engine Technology Program (IHPTET), the United States proposed a probabilistic design method and established a probabilistic design system (PDS) for the rotor system, which reduced the structural design reserve to an acceptable reliability level and ensured a relative balance between safety and working capacity, as shown in Figure 2. Following the IHPTET program, the Multipurpose Economical Advanced Turbine Engine Program (VAATE) launched the Probabilistisk høj cyklus træthed af klinger som en af de vigtigste teknologier. Det amerikanske motorstrukturelle integritetsprogram (MIL-HDBK -1783 b) påpegede også, at anvendelse af probabilistisk designmargin i stedet for traditionel sikkerhedsfaktor eller deterministisk margin mere nøjagtigt kan repræsentere ændringerne i komponentrespons. De Forenede Staters FAA har fremmet anvendelsen af strukturelt sandsynligt design inden for civil luftfart, der erstatter FAR33.14 med luftdygtighedsklausulen FAR33.70, det vil sige sandsynlig skades tolerancedesign udføres for motorens livsbegrænsende dele, og fiasko-risikoniveauet bestemmes ved at sammenligne med designmålrisikoen.
For at imødekomme ydelseskravene fra avancerede flysmotorer er flere og flere nye materialer såsom pulverlegeringer, intermetalliske forbindelser, keramiske materialer, sammensatte materialer osv. Konstant. Disse materialer har åbenlyse forbedringer i forhold til traditionelle metallegeringer i visse egenskaber såsom styrke, stress, densitet osv., Men der er mange usikre faktorer og nye fejltilstande i deres materielle egenskaber, og brugen af deterministiske designmetoder vil producere store afvigelser. Derfor er det mere nødvendigt at anvende probabilistiske designmetoder til typiske motorstrukturer under nye materialer, nye strukturer og nye processystemer. Nøgelsesteknologier til sandsynlig design af typiske motorstrukturer
1. Probabilistisk model af tilfældige faktorer (1) Belastningsdispersionsflymotorer, især militære motorer, skal gennemføre et stort antal flyvemissioner, såsom krydstogt, enkle stunts, komplekse stunts, formationer, angreb og aflytning, hvilket resulterer i en stor spredning af arbejdsbelastningen af motorstrukturen, såsom mekaniske belastninger, aerodynamiske belastninger og temperaturbelastninger. Oprettelsen af motorbelastningssandsynlighedsmodellen skal kombineres med belastningsspektrumbehandlingsteknologi, og skadekonverteringsprincippet, såsom motorbelastningsspektrum og strukturelt belastningsspektrum, skal undersøges. Ved at opsamle og behandle motorfeltflyvningsbelastningsspektret og testspektrum opnås belastningsvariationsloven for den typiske motorstruktur over tid, og den statistiske teori bruges til at etablere sandsynlighedsstatistiske egenskaber ved den typiske motorstruktur.
) På samme tid på grund af kompleksiteten af behandlingsteknologien er de materielle egenskaber for forskellige dele af den typiske motorstruktur også markant forskellige. Derfor er det nødvendigt at kombinere testdataene for standardmaterialeeksempler og karakteristiske simuleringsdele af forskellige dele af strukturen for at etablere en sandsynlighedsmodel verificeret ved eksperimenter.
For eksempel, for at håndtere spredningen af det materielle cykliske stress-belastningsforhold, kan belastningen nedbrydes til elastiske belastningskomponenter og plaststamme-komponenter, og lineære ligninger af elastiske stammekomponenter, plaststamme-komponenter og stress etableres henholdsvis. Ovenstående ligninger er randomiserede, og sandsynlighedsmodellen for cyklisk stress-belastning er etableret ved regressionsmetode, som vist i figur 3. (3) Processpredningsprocesspredning henviser til den strukturelle spredning forårsaget af tilfældige faktorer, såsom materialeforberedelse, behandlingsmetoder og detektionsteknologi.
Indledende defekt tilfældighed. For materialeforberedelsesmetoder, såsom smedning, støbning og varm isostatisk presning, er antallet, positionen og størrelsen af de oprindelige defekter såsom indeslutninger, huller og hulrum i materialet alle tilfældigt, som vist i figur 4. Derfor er det nødvendigt at udvikle ækvivalente skader karakteriseringsmetoder for overflade/underjordisk/interne defekter og etablere en defekt sandsynlighedsmodel for typiske motorstrukturer i forskellige regioner. Geometrisk dimension tilfældighed. De geometriske dimensioner af typiske motorstrukturer er tilfældige på grund af ustabiliteten af mekanisk behandlingsteknologi. Med henblik herpå er det nødvendigt at bestemme de vigtigste geometriske dimensionsparametre for typiske motorstrukturer gennem følsomhedsanalyse og at gennemføre statistikker om de vigtigste geometriske dimensioner for at etablere deres sandsynlighedsfordelingskarakteristika.
Reststressens tilfældighed. Ustabiliteten af behandlingsteknologi, såsom motorstrukturoverfladebehandlingsteknologi (såsom skudspinding, laserstyrke), varmebehandlingsteknologi (såsom fast opløsning, aldring) og andre processer (såsom lineær friktionsvejsning, elektronstråle svejsning) fører til tilfældig resterende stress på overfladen og inde i strukturen. Sandsynlighedsmodellen for resterende stress skal undersøges systematisk gennem numerisk simulering, procesinspektion og matematisk statistik.
Tilfældighed for defektdetektionsteknologi. Forskellige detektionsteknologier fører til tilfældighed i størrelsen og placeringen af den minimale detekterbare defekt. Sandsynligheden for defektdetektion (POD) introduceres for at beskrive denne tilfældighed. Ved at forberede beskadigede prøver med tilstrækkelige defekttyper, størrelser og positioner, udføre defektdetektionstest og etablere en matematisk model af detektionsdata, opnås podkurven for detektionsteknologien ved statistisk behandling.
2. Typiske motorstruktur Typiske motorstrukturer (såsom turbinebladstrukturer) udsættes for komplekse vekslende belastninger/miljøer med gasopvarmesolid flerfelt, og deres svigtningstilstande er for det meste sammensatte træthedsfejl, såsom trætheds-kryb, termomekanisk træthed, understrukturer under høj-lav-cykelkomposit træthed osv. Derfor Belastninger/miljøer baseret på eksperimenter er blevet en nøgleteknologi til det sandsynlige design af motorstrukturer. Det er nødvendigt at kombinere teoretisk forskning nøje med eksperimentel verifikation for at afsløre mekanismen for den sammensatte fiasko -tilstand for typiske motorstrukturer under komplekse belastninger/miljøer og udvikle tilsvarende sammensatte træthedslivsforudsigelsesmetoder. Kombineret med spredning af belastninger, materialer og processer etableres en sammensat træthedssvigt sandsynlighedsmodel for typiske motorstrukturer, der er verificeret ved eksperimenter.
The Structural Strength and Multidisciplinary Optimization Research Group of Beijing University of Aeronautics and Astronautics takes the high-pressure turbine disk of the WP7 engine (made of GH33) as the object to study and develop a set of probability models and design methods for fatigue-creep coupling failure modes of turbine disks that have been verified by experiments, including two damage stages of crack formation and crack propagation, from material egenskaber til designapplikationer (figur 5). 3. Strukturel sandsynlighedsanalyseteknologi
Det sandsynlige design af typiske motorstrukturer involverer mange discipliner og komplekse strukturer. Direkte ved hjælp af numeriske metoder til at løse den strukturelle fejlsandsynlighed/pålidelighed vil resultere i for lang beregningstid. Derfor er etablering af en strukturel probabilistisk responsanalysemetode en nøgleteknologi til det sandsynlige design af typiske motorstrukturer.
På nuværende tidspunkt bruges responseoverflademetoden kombineret med Monte Carlo-metoden ofte til at udføre strukturel sandsynlighedsresponsanalyse, og et sæt højeffektivitet og højpræcisionssandsynlighedsanalysemetoder, der er egnede til typiske motorstrukturer, udvikles til at løse problemet med massiv beregning i strukturel sandsynlighedsanalyse. Prøveudtagningsmetoder, såsom latin hypercube-metode, kvasi-monte Carlo-metoden, latin centroid-prøveudtagning og vigtig prøveudtagning kan anvendes; Omtrentlige modelleringsmetoder såsom neuralt netværk, Kriging -model og understøttelsesvektormaskine kan vælges (figur 6).
4. Tilfældig faktorfølsomhedsanalyse
Gennem følsomhedsanalysen af tilfældige faktorer kan de vigtigste faktorer, der påvirker spredning af strukturelivet, bestemmes, tilvejebringe et designbasis for det sandsynlige design af typiske motorstrukturer; På den anden side kan tilfældige variabler med indikatorer med lav følsomhed i strukturel sandsynlighedsdesign behandles til deterministiske parametre, hvilket sparer beregningstid og forbedrer opløsningseffektiviteten; Fokus på spredning af de vigtigste tilfældige faktorer er mere direkte og signifikant end andre faktorer for at forbedre løsningsnøjagtigheden af strukturel fejlsandsynlighed/pålidelighed.
5. Motor Typisk struktur Sandsynlighedsdesignsystem, der sigter mod mit lands luftfartsmotormaterialeproces, etablering af en luftfartsmotor Typisk struktur Sandsynlighedsdesignplatform med uafhængige intellektuelle ejendomsrettigheder er også en nøgleteknologi til motorstrukturs sandsynlighedsdesign. Realiseringen af den probabilistiske designplatform for motorstrukturen kræver et stort antal iterative beregninger. Hver ændring i den geometriske model under beregningsprocessen vil medføre, at analysedataene såsom mesh og grænsevilkår ændres i overensstemmelse hermed. Derfor er forbindelsesteknologien mellem den geometriske model og analysemodellen, den automatiske rekonstruktion af masken og den automatiske belastning af masken tekniske vanskeligheder, der skal løses.
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 shown in Figur 7. Med støtte fra National Defense 973 -programmet foreslog den strukturelle styrke og multidisciplinære optimeringsforskningsgruppe af Beihang University og etablerede en turbinedisk sandsynlighedsproces baseret på den deterministiske designproces for turbinedisker og etablerede oprindeligt det første turbinedisk -strukturelle sandsynlighedsdesignsystem (TPDS) i Kina. Det inkluderer de vigtigste funktioner i belastningsspektrumbehandling, tilfældig variabel behandling, geometrisk modellering, analyse af fejltilstand og beslutningstagning af design og integrerer kommerciel software såsom UG, ANSYS og MATLAB, som vist i figur 8. Flere aspekter, der skal studeres yderligere
Den sandsynlige designteknologi for typiske motorstrukturer er blevet en af de mest lovende nøgleteknologier til at løse flaskehalsen for avanceret motorforskning og -udvikling. Det bruges gradvist i udviklingen af nøgledele af avancerede aero-motor i Kina. Det er blevet anvendt lokalt, og effekten begynder at vise. I det næste udviklingstrin skal følgende forskningsarbejde uddybes og styrkes.
1. Materialeprocesstruktur Probabilistisk integreret design Strukturelt design, materiale og procesintegration og iteration er de grundlæggende stier til at forbedre niveauet for avanceret aero-motorudvikling. Den effektive anvendelse af motorstrukturel probabilistisk designteknologi er uadskillelig fra den integrerede overvejelse af materialer og processer. Derfor skal det sandsynlige design af motorstrukturer starte fra designkilden, afsløre indflydelsesmekanismen og regelmæssig regulering af typiske strukturelle fremstillingsfølsomme parametre på pålideligheden af motorstrukturer og danne en probabilistisk designmetode til typiske motorstrukturer, der integrerer produktionsfølsomme parametre, hvorved man etablerer teorien og metoden til motormateriale-process-strukturprobilistisk integreret design.
2. Multidisciplinært optimeringsdesign baseret på pålidelighed Den strukturelle design af aero-enginer involverer mange discipliner såsom aerodynamik, materialer, varmeoverførsel, struktur og styrke. Disciplinerne er koblet med hinanden. Det sandsynlige design af en enkelt disciplin kan ikke garantere, at den designede struktur opfylder pålidelighedskravene til brug.
