一种航空发动机涡轮盘结构可靠性分析方法技术

本发明专利技术公开了一种基于蒙特卡罗法的航空发动机涡轮盘结构可靠性分析方法，根据涡轮盘材料的不均匀性建立随机变量数学模型，并根据受力情况建立应力分析模型；利用ANSYS环境下的PDS对涡轮盘三维模型随机变量进行蒙特卡罗抽样，得到涡轮盘在不同工况下的最大应力MAXSTRESS分布；在MATLAB平台上对随机变量进行不同程度的蒙特卡罗仿真试验，根据结构功能函数计算涡轮盘可靠度，得到不同工况下的涡轮盘结构可靠度；最后根据灵敏度公式计算影响涡轮盘结构可靠性随机变量的灵敏度。本发明专利技术在考虑涡轮盘材料参数和载荷随机性的情况下进行可靠性分析，具有收敛快、成本低、精度高的特点，为涡轮盘的优化设计及可靠性管理提供了理论基础。

【技术实现步骤摘要】
一种航空发动机涡轮盘结构可靠性分析方法
本专利技术涉及海绵城市雨水收集与净化
，具体涉及一种道路生物滞留槽快速设计方法。
技术介绍
涡轮盘是航空发动机中重要的盘形零件之一，作用是将燃气的部分内能在涡轮中膨胀转化为机械能，带动压气机旋转。在飞机的实际运行中，涡轮盘受到高温高压和燃气的腐蚀和氧化作用，其工作条件十分恶劣，因此在航空发动机设计中对涡轮盘的材料要求更为严苛。涡轮盘的可靠性对整个航空发动机以及飞机的可靠稳定的运行具有直接影响，因此涡轮盘的可靠性分析是一个需要不断探索和研究的课题。由于材料的不均匀和大气层空气的流动，涡轮盘材料的物理特性，如密度、强度极限和弹性模量以及载荷在航空发动机的运行中具有一定的分散性和随机性。在考虑这些随机变量影响的基础上，利用蒙特卡罗抽样方法对涡轮盘的结构可靠性分析，计算随机变量的灵敏度，对发动的涡轮盘的设计、制造和加工具有一定的指作用，对提高发动机的整体安全性能和降低航空件的检修、维护成本具有重要意义。故障树分析法采用从系统到部件再到零件的层层追溯的分析方法，更适合大型复杂系统的可靠性分析，所以在涡轮盘结构可靠性分析方面，显得实用性不强。基于振动信号的小波分析、谱分析等可靠性分析方法则需要大量的振动试验，成本较高。一般的蒙特卡罗可靠性分析方法通常在单个软件平台分析，并且只对较少的随机变量抽样，使得到的可靠度结果实用性比较单一。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于蒙特卡罗法的航空发动机涡轮盘结构可靠性分析方法，旨在解决现有方法在航空发动机涡轮盘结构可靠性分析中存在的效率低或成本高等问题。本专利技术的技术方案为：本专利技术是这样实现的，一种航空发动机涡轮盘结构可靠性分析方法，包括下述步骤：步骤一，根据涡轮盘材料的不均匀性建立随机变量数学模型；步骤二，根据涡轮盘运行受力情况，建立在ANSYS环境下某型微型涡喷航空发动机涡轮盘应力分析模型：在三维建模软件SOLIDWORKS平台上建立某型微型涡喷航空发动机涡轮盘三维实体模型，为了提高有限元分析效率及网格划分，对计算结果影响很小的结构进行简化，包括涡轮盘内、圈外圈及中心孔圆角；将完成的涡轮盘三维实体模型导入HPERMESH平台中，对模型进行网格划分，模拟实际约束情况对涡轮盘模型施加约束，固定联接孔在X、Y、Z方向的位移，固定涡轮对Y、Z轴的旋转，其中X轴为涡轮盘轴向，并通过对涡轮盘外圆柱面施加压强的形式考虑叶片产生离心力对轮盘的影响；在ANSYS环境中模拟实际受力情况对涡轮盘模型施加载荷，定义载荷类型为涡轮盘运行角速度产生的旋转体力，即离心力，分析主要考虑涡轮盘的运行状态有典型工况及紧急工况；步骤三，利用ANSYS环境下的PDS对涡轮盘三维模型随机变量进行蒙特卡罗抽样，得到涡轮盘在不同工况下的最大应力MAXSTRESS分布；步骤四，在MATLAB平台上对随机变量进行不同程度的蒙特卡罗仿真试验，根据结构功能函数计算涡轮盘可靠度，得到不同工况下的涡轮盘结构可靠度；步骤五，利用MATLAB计算不同工况下的涡轮盘结构可靠度及影响涡轮盘结构可靠性随机变量的灵敏度：根据涡轮盘结构功能函数，当结构功能函数值大于零，即涡轮盘极限强度大于最大应力MAXSTRESS值，结构可靠，反之结构失效；设置随机变量矩阵大小，进行不同次数的蒙特卡罗仿真试验，可以得到不同的可靠度需求精度；在MATLAB环境下用find函数返回结构功能函数矩阵中大于零元素位置，再用length函数计算结构功能函数矩阵中大于零元素个数，最后根据可靠度公式计算不同工况不同精度的可靠度；根据灵敏度公式，计算随机变量密度、弹性模量、角速度影响涡轮盘结构可靠性的灵敏度。所述步骤五中涡轮盘结构功能函数值的随机变量矩阵：Z＝g(S,F)＝S-F(1)。所述步骤一建立涡轮盘随机变量的数学模型具体包括：考虑材料的不均匀性和分散性，涡轮盘随机变量的数学模型包括影响涡轮盘结构可靠性的随机变量的概率分布；影响涡轮盘结构可靠性的随机变量主要为涡轮盘运转角速度、材料的物理性能参数及力学性能参数，影响涡轮盘结构可靠性材料物理性能参数及力学性能参数包括密度、弹性模量、极限强度；即涡轮盘随机变量的数学模型包括密度、弹性模量、极限强度、角速度的概率类型和概率分布参数；在ANSYS中采用的概率分布类型为高斯(GAUSS)分布，概率分布参数包括均值(MEAN)和标准偏差(SIGMA)。所述步骤三中，进入ANSYS环境下的PDS处理器，在随机变量输入界面定义涡轮盘密度、弹性模量、角速度的均值和标准偏差；可靠性设计方法采用基于蒙特卡罗的拉丁超立方抽样法(LHS)，并设置模拟次数(NSIM)和重复次数(NREP)对所有设计变量进行随机抽样分析，得到涡轮盘得到涡轮盘在不同工况下的最大应力MAXSTRESS分布。所述步骤四中，在MATLAB中进行模拟运算时，主要采用的函数包括：normrnd(mu，sigma，[M,N])：随机数发生器函数，产生一个M行N列均值为mu标准偏差为sigma的高斯分布矩阵；scatter：用于描绘散点图；normplot：绘制正态性检验图函数；length：某一矩阵所有维的最大长度；mean：计算某一矩阵的均值；std：计算某一矩阵的标准偏差；find：返回所需要元素的所在位置；用随机随机数发生器函数产生的随机变量包括涡轮盘典型工况下和紧急工况下的最大应力MAXSTRESS分布。本专利技术的有益效果：1、在随机变量数学模型建立时，考虑了材料的不均匀性、分散性以及涡轮盘运行载荷的随机性，涡轮盘应力分析模型考虑了充分考虑实际受力情况，并在ANSYS环境中对模型施加约束和载荷，保证了模型的准确性；2、在ANSYS环境下的PDS对涡轮盘三维模型随机变量进行蒙特卡罗抽样时，使用拉丁超立方抽样法(LHS)进行了10000次抽样。由于涡轮盘网格划分后单元数多达69600个，如果使用直接抽样法则会大大增加抽样次数，降低计算效率和收敛速度；3、在MATLAB中进行蒙特卡罗仿真试验时，使用normrnd(mu，sigma，[M,N])随机数发生器函数，可以产生标准的高斯分布随机数，使用normplot正态性检验函数进行随机数筛选，保证了每组随机数的质量；4、在计算涡轮盘结构可靠性时，使用find及length函数统计功能函数中处于可靠状态元素的个数，提高了计算效率，用scatter散点图函数绘制功能函数散点图，形象直观的显示了可靠性的状态分布位置；5、利用上述函数在MATLAB中编程进行5000-50000000次蒙特卡罗仿真试验，得到不同工况下的可靠度，可以满足不同的精度要求，当蒙特卡罗仿真试验次数为50000000次时，用时仅2.54秒，具有较高的计算效率。附图说明图1是本专利技术实施例提供的基于蒙特卡罗法的航空发动机涡轮盘结构可靠性分析方法的流程图；图2是本专利技术实施例提供的某型微型涡喷航空发动机实物图；图3是本专利技术实施例提供的某型微型涡喷航空发动机涡轮盘三维实体模型；图4是本专利技术实施例提供的HPERMESH环境中涡轮盘网格划分示意图；图5是本专利技术实施例提供的HPERMESH环境中涡轮盘约束和压强载荷示意图；图6是本专利技术实施例提供的ANSYS环境中涡轮盘约束、压强载荷及离心载荷示意图；图7(a)是本专利技术实施例提供本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种航空发动机涡轮盘结构可靠性分析方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤一，根据涡轮盘材料的不均匀性建立随机变量数学模型；步骤二，根据涡轮盘运行受力情况，建立在ANSYS环境下某型微型涡喷航空发动机涡轮盘应力分析模型：为了提高有限元分析效率及网格划分，对计算结果影响很小的结构进行简化，包括涡轮盘内、圈外圈及中心孔圆角；在HPERMESH环境中进行网格划分，固定涡轮盘联接孔在X、Y、Z方向的位移，固定涡轮盘对Y、Z轴的旋转，其中X轴为涡轮盘轴向，对涡轮盘外圆柱面施加压强；在ANSYS环境中模拟实际受力情况对涡轮盘模型施加载荷，定义载荷类型为涡轮盘运行角速度产生的旋转体力，即离心力，分析主要考虑涡轮盘的运行状态有典型工况及紧急工况；步骤三，利用ANSYS环境下的PDS对涡轮盘三维模型随机变量进行蒙特卡罗抽样，得到涡轮盘在不同工况下的最大应力MAXSTRESS分布；步骤四，在MATLAB平台上对随机变量进行不同程度的蒙特卡罗仿真试验，根据结构功能函数计算涡轮盘可靠度，得到不同工况下的涡轮盘结构可靠度；步骤五，利用MATLAB计算不同工况下的涡轮盘结构可靠度及影响涡轮盘结构可靠性随机变量的灵敏度：根据涡轮盘结构功能函数，当结构功能函数值大于零，即涡轮盘极限强度大于最大应力MAXSTRESS值，结构可靠，反之结构失效；设置随机变量矩阵大小，进行不同次数的蒙特卡罗仿真试验，可以得到不同的可靠度需求精度；在MATLAB环境下用find函数返回结构功能函数矩阵中大于零元素位置，再用length函数计算结构功能函数矩阵中大于零元素个数，最后根据可靠度公式计算不同工况不同精度的可靠度；根据灵敏度公式，计算随机变量密度、弹性模量、角速度影响涡轮盘结构可靠性的灵敏度。...

【技术特征摘要】
1.一种航空发动机涡轮盘结构可靠性分析方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤一，根据涡轮盘材料的不均匀性建立随机变量数学模型；步骤二，根据涡轮盘运行受力情况，建立在ANSYS环境下某型微型涡喷航空发动机涡轮盘应力分析模型：为了提高有限元分析效率及网格划分，对计算结果影响很小的结构进行简化，包括涡轮盘内、圈外圈及中心孔圆角；在HPERMESH环境中进行网格划分，固定涡轮盘联接孔在X、Y、Z方向的位移，固定涡轮盘对Y、Z轴的旋转，其中X轴为涡轮盘轴向，对涡轮盘外圆柱面施加压强；在ANSYS环境中模拟实际受力情况对涡轮盘模型施加载荷，定义载荷类型为涡轮盘运行角速度产生的旋转体力，即离心力，分析主要考虑涡轮盘的运行状态有典型工况及紧急工况；步骤三，利用ANSYS环境下的PDS对涡轮盘三维模型随机变量进行蒙特卡罗抽样，得到涡轮盘在不同工况下的最大应力MAXSTRESS分布；步骤四，在MATLAB平台上对随机变量进行不同程度的蒙特卡罗仿真试验，根据结构功能函数计算涡轮盘可靠度，得到不同工况下的涡轮盘结构可靠度；步骤五，利用MATLAB计算不同工况下的涡轮盘结构可靠度及影响涡轮盘结构可靠性随机变量的灵敏度：根据涡轮盘结构功能函数，当结构功能函数值大于零，即涡轮盘极限强度大于最大应力MAXSTRESS值，结构可靠，反之结构失效；设置随机变量矩阵大小，进行不同次数的蒙特卡罗仿真试验，可以得到不同的可靠度需求精度；在MATLAB环境下用find函数返回结构功能函数矩阵中大于零元素位置，再用length函数计算结构功能函数矩阵中大于零元素个数，最后根据可靠度公式计算不同工况不同精度的可靠度；根据灵敏度公式，计算随机变量密度、弹性模量、角速度影响涡轮盘结构可靠性的灵敏度。2.如权利要求1所述的航空发动机涡轮盘结构可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤五中涡轮盘结构功能函数值的随机变量矩阵：...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁锋，贾川，韩帅，刘聪，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61