一种基于EGRA的涡轮盘多失效模式可靠性优化方法技术

本发明专利技术涉及一种基于EGRA的涡轮盘多失效模式可靠性优化方法，步骤：(1)对涡轮盘扇区进行参数化建模，分析涡轮盘几何参数灵敏度，选出设计变量；(2)对设计变量进行LHC抽样，分别计算每个抽样点处的各失效模式下的寿命，建立各失效模式可靠性模型；(3)对各失效模式的可靠性模型用高效全局可靠性分析方法(EGRA)评估，若大于收敛极限，向初始模型中增加样本点，直至模型收敛；(4)用(3)中更新的可靠性模型拟合各失效模式下的寿命，根据相关形式得到系统寿命并对其进行优化求解，若优化结果不满足系统可靠性要求，计算最优点真实寿命值，并添加到可靠性模型中以更新模型，重复检验收敛性和更新模型的步骤直到满足系统可靠度，得到优化结果。

A multi failure mode reliability optimization method of turbine disk based on egra

The invention relates to an egra based reliability optimization method for multi failure modes of turbine disks. The steps are as follows: (1) parametric modeling of turbine disk sector, analysis of sensitivity of turbine disk geometric parameters, selection of design variables; (2) LHC sampling of design variables, calculation of life under each failure mode at each sampling point, and establishment of reliability model of each failure mode; (3) failure analysis of each failure mode The reliability model of the model is evaluated by the efficient global reliability analysis method (egra). If it is greater than the convergence limit, add sample points to the initial model until the model converges; (4) use the updated reliability model in (3) to fit the life of each failure mode, get the system life according to the correlation formula and optimize it. If the optimization result does not meet the system reliability requirements, calculate it The optimal real life value is added to the reliability model to update the model, and the steps of checking convergence and updating the model are repeated until the system reliability is satisfied, and the optimization results are obtained.

【技术实现步骤摘要】
一种基于EGRA的涡轮盘多失效模式可靠性优化方法
本专利技术是一种针对航空发动机涡轮盘多失效模式可靠性优化方法，特别是它是一种基于EGRA的涡轮盘多失效模式可靠性优化方法，能够考虑不同部位采样、多种失效模式的可靠性优化设计方法，属于航空航天发动机

技术介绍
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单一危险点在单一失效模式下的疲劳寿命，预测精度较差难以指导工程实际应用。涡轮盘疲劳寿命预测时，未考虑不同失效模式的差异及其对涡轮盘整体疲劳寿命的影响，而本专利技术考虑涡轮盘不同部位多种失效模式对涡轮盘疲劳寿命的影响，可以得到具有一定可靠度的涡轮盘疲劳寿命和失效风险，用于涡轮盘可靠性优化设计。现有文献李晓科.RBDO中的高效解耦与局部近似方法研究[D].华中科技大学,2016.中提到了一种高效全局可靠性分析方法：EGRA。通过一个期望可行性函数EFF指导可靠性模型序列抽样，来使更多的样本点落在对可靠性影响较大的区域，在保证局部精度的同时，提高了效率。但如果把该文献中的方法直接运用于多失效模式的可靠性分析中，需要对各失效模式的可靠性模型分别进行序列抽样，以提高模型精度。而实际上有一些失效模式对系统的影响不大，把昂贵的序列抽样用在这些对系统失效影响不大的失效模式上，导致了大量计算量的浪费。本专利技术将EGRA方法与涡轮盘多失效模式相结合，考虑低循环疲劳和蠕变-疲劳同时作用的工作环境，根据不同失效模式间相关的形式，建立多失效模式的EFF函数，通过直接对多失效模式的EFF函数分析，将序列采样样本点集中于多失效模式的系统极限状态边界附近，在对涡轮盘多失效模式系统保证了高分析精度的同时，减少了将序列样本点分布于对系统失效不重要的区域，减少了样本点的数量，提高了对多失效模式系统可靠性分析的效率专利申请人所在单位现有专利“一种考虑多部位及多失效模式的涡轮盘损伤容限评估方法”(专利号CN201611266927.5,公告号:CN106644784A)分别考虑了三种涡轮盘典型的失效模式，基于试验数据预测寿命，分别讨论了各失效模式对涡轮盘寿命的影响，但并未考虑多失效模式之间的相关关系以及多失效模式同时作用对涡轮盘的影响。而工程实际中，各失效模式之间并不是独立存在的，失效模式之间存在相关，本专利技术研究了涡轮盘常见的失效模式之间的相关关系，并依靠该关系建立了多失效模式下的涡轮盘系统寿命与单一失效模式寿命的关系。
技术实现思路
本专利技术技术解决方案：克服现有技术的不足，提供一种考虑多失效模式的涡轮盘可靠性优化方案，对现有的涡轮盘进行寿命优化，提高了可靠性。本专利技术技术解决方案：一种基于EGRA的涡轮盘多失效模式可靠性优化方法，概括起来，主要包括：涡轮盘设计变量选取、单一失效模式可靠性建模、多失效模式可靠性建模、多失效模式可靠性优化四个部分。寿命可靠性设计包括可能引起涡轮盘结构破坏的多个失效模式(如低循环疲劳失效，蠕变-疲劳失效等)的寿命可靠性设计，其中考虑材料和几何尺寸等随机因素的分散性对疲劳寿命的影响，针对不同失效模式对系统失效的影响程度的差异，发展了考虑多失效模式的可靠性分析模型，并基于此模型对涡轮盘展开考虑多失效模式的可靠性设计优化。实现步骤如下：(1)对现有的涡轮盘，提取带有一个榫槽的扇区进行全参数化建模，采用拉丁超立方抽样，进行参数灵敏度分析，选出五个对涡轮盘盘体最大等效应力影响最大的几何参数作为优化变量；(2)对步骤(1)中选出的几何设计变量和弹性模量E、泊松比P两个盘体材料参数，疲劳强度系数σ′f、疲劳强度指数b两个寿命模型参数在(μ±σ)范围内进行拉丁超立方抽样，并对抽样点进行有限元仿真计算，分别得到低循环疲劳和蠕变疲劳单独作用下的寿命值，以几何设计变量和材料参数作为输入变量，两种失效模式的寿命作为输出响应，构建两种失效模式的初始样本集，以此为初始样本集构建单一失效模式下的基于克里金的兼顾高精度和高效率的自适应抽样代理模型，并得到代理模型的回归系数、回归向量和相关矩阵；(3)分别对步骤(2)中建立的低循环疲劳可靠性模型和蠕变-疲劳可靠性模型使用高效全局可靠性分析方法EGRA进行评估，构建涡轮盘多失效模式可靠性模型；(a)通过上述两个模型的回归系数、回归向量和相关矩阵分别计算低循环疲劳可靠性模型和蠕变-疲劳可靠性模型的均值和方差，由于低循环疲劳和蠕变疲劳两种失效模式是竞争相关的关系，以两种失效模式中寿命最小值来作为多失效模式涡轮盘系统寿命，选取其中两个单一失效模式可靠性模型中最小的均值和方差来构建多失效模式下的预期可行性函数(EFF)；并使用无梯度全局优化方法对在设计空间(μ±0.1％σ)求取多失效模式EFF函数的最大值；(b)若EFF函数的最大值小于收敛极限(max(EFF)<1e-3)，则得到多失效模式下的涡轮盘可靠性模型，否则对多失效模式EFF函数取最大值点分别计算低循环疲劳和蠕变疲劳下的单一失效模式EFF的值；(c)检验单一失效模式EFF函数的收敛性，若单一失效模式EFF函数值超出收敛极限的，即EFF>1e-3，对EFF函数取最大值的设计点进行有限元分析，在多失效模式EFF函数取最大值的设计点计算EFF函数值超出收敛极限相应的单一失效模式的真实响应值，将设计点输入变量和响应作为样本点添加到步骤(2)中的初始样本集中，更新对应的单一失效模式可靠性模型，重复检验EFF函数最大值的收敛性和将不满足收敛极限的EFF函数最大值点添加到样本点集，计算多失效模式EFF最大值的步骤，直到多失效模式下的EFF最大值收敛，即得到涡轮盘低循环疲劳和蠕变-疲劳可靠性模型；(4)对步骤(3)中建立的涡轮盘低循环疲劳和蠕变-疲劳可靠性模型进行优化求解：(a)在步骤(3)中构建的低循环疲劳和蠕变-疲劳可靠性模型上，取各个失效模式中寿命最小的值的作为涡轮盘疲劳寿命，利用序列二次规划法对多失效模式涡轮盘可靠性模型进行优化求解，获得多失效模式涡轮盘可靠性模型的最优解；(b)将获得的最优解进行涡轮盘系统寿命可靠性评估，判断其最优解处是否满足设计要求的寿命可靠度；(c)如不满足：用最优解进行有限元分析，计算低循环疲劳和蠕变-疲劳失效模式的响应，并将真实响应值添加到样本集中更新多失效模式涡轮盘可靠性模型，不断迭代检验涡轮盘寿命可靠度和更新可靠性模型，使样本点范围逐渐向真实最优解附近缩小，得到满足涡轮盘系统寿命可靠度条件的最优解。本专利技术与现有技术相比的优点在于：本专利技术的创新型在于把EGRA可靠性分析方法与多失效模式的涡轮盘可靠性优化相结合，对各失效模式的材料参数通过对涡轮盘不同部位采样试验获得，更好地模拟了涡轮盘的实际工作情况；并根据多失效模式之间的相关性，得到多失效模式下涡轮盘系统寿命和单一失效模式下涡轮盘寿命之间的关系；构建多失效模式涡轮盘系统EFF函数，通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于EGRA的涡轮盘多失效模式可靠性优化方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)对涡轮盘取带有一个榫槽的扇区进行全参数化建模，采用拉丁超立方抽样，进行参数灵敏度分析，选出五个对盘体最大等效应力影响最大的几何参数作为设计变量；/n(2)对步骤(1)中选出的几何设计变量，弹性模量E、泊松比P两个盘体材料参数和疲劳强度系数σ′

【技术特征摘要】
1.一种基于EGRA的涡轮盘多失效模式可靠性优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对涡轮盘取带有一个榫槽的扇区进行全参数化建模，采用拉丁超立方抽样，进行参数灵敏度分析，选出五个对盘体最大等效应力影响最大的几何参数作为设计变量；
(2)对步骤(1)中选出的几何设计变量，弹性模量E、泊松比P两个盘体材料参数和疲劳强度系数σ′f、疲劳强度指数b两个寿命模型参数在(μ±σ)范围内进行拉丁超立方抽样，并对抽样点进行有限元仿真计算，分别得到低循环疲劳和蠕变-疲劳两种失效模式的寿命值，以几何设计变量和材料参数作为输入变量，两种失效模式的寿命作为输出变量，构建两种失效模式的初始样本集，以此为初始样本集构建单一失效模式下的基于克里金的兼顾高精度和高效率的自适应抽样代理模型，得到代理模型的回归系数、回归向量和相关矩阵；
(3)分别对步骤(2)中建立的低循环疲劳可靠性模型和蠕变-疲劳可靠性模型使用高效全局可靠性分析方法(EGRA)进行评估，构建涡轮盘多失效模式可靠性模型；
(a)低循环疲劳和蠕变疲劳两种失效模式为竞争相关的关系，以两种失效模式中寿命最小值来作为多失效模式涡轮盘系统寿命，由设计点的信息计算各单一失效模式可靠性模型的均值和方差，通过比较在设计空间内各点处两个失效模式可靠性模型均值的大小，用其中最小的模型均值和方差来构建涡轮盘多失效模式下的预期可行性函数(EFF)，以量化设计点偏离涡轮盘多失效模式极限状态边界的程度，并使用无梯度全局优化方法在设计空间(μ±0.1％σ)求取多失效模式EFF函数的最大值；
(b)若多失效模式EFF函数的最大值小于收敛极限1e-3，则得到多失效模式下的涡轮盘可靠性模型，否则将多失效模式EFF函数取最大值的设计点作为序列样本点分别计算低循环疲劳和蠕变疲劳失效模式单独作用下的EFF值：
(c)检验单一失效模式EFF函数的收敛性，若单一失效模式EFF函数值超出收敛极限的，即(EFF)>1e-3，对EFF函数取最大值的设计点进行有限元分析，在多失效模式EFF函数取最大值的设计点计算EFF函数值超出收敛极限相应的单一失效模式的真实响应值，将设计点输入变量和响应作为样本点添加到步骤(2)中的初始样本集中，更新对应的单一失效模式可靠性模型，重复检验EFF函数最大值的收敛性和将不满足收敛极限的EFF函数最大值点添加到样本点集，计算多失效模式EFF最大值的步骤，直到多失效模式下的EFF最大值收敛，即得到涡轮盘低循环疲劳和蠕变-疲劳可靠性模型；
(4)对步骤(3)中建立的涡轮盘低循环疲劳和蠕变-疲劳可靠性模型进行优化求解，步骤如下：
(a)在步骤(3)中构建的涡轮盘低循环疲劳和蠕变-疲劳可靠性模型上，取两个失效模式中寿命最小的值的作为涡轮盘疲劳寿命，利用序列二次规划法对多失效模式涡轮盘可靠性模型进行优化求解，获得多失效模式涡轮盘...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡殿印，王荣桥，唐健雄，刘茜，胡如意，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11