一种基于贝叶斯校准的涡轮盘最弱环非局部概率寿命评估方法技术

本发明专利技术涉及一种基于贝叶斯校准的涡轮盘最弱环非局部概率寿命评估方法，分别设计光滑圆棒试样和涡轮盘特征部位结构模拟件，开展试样低循环疲劳试验；采用最小二乘法回归分析建立三参数幂函数寿命模型；基于结构最弱环法建立涡轮盘结构模拟件疲劳寿命Weibull可靠度函数，采用Weibull分布参数估计法确定寿命分布指数b

A nonlocal probabilistic life assessment method for the weakest ring of turbine disk based on Bayesian calibration

The invention relates to a nonlocal probability life evaluation method of the weakest ring of turbine disk based on Bayesian calibration, which designs smooth round bar sample and turbine disk structural simulation part respectively, carries out low cycle fatigue test of sample, establishes three parameter power function life model by least square regression analysis, and establishes turbine disk structural simulation part fatigue life Weib by structural weakest ring method Using the parameter estimation method of Weibull distribution to determine the life distribution index b

【技术实现步骤摘要】
一种基于贝叶斯校准的涡轮盘最弱环非局部概率寿命评估方法
本专利技术是一种针对航空发动机涡轮盘的非局部概率寿命评估方法，它是一种基于结构最弱环法进行疲劳寿命评估并采用贝叶斯校准模型参数、能够考虑尺寸效应对疲劳寿命的影响的分析方法，属于航空航天发动机

技术介绍
涡轮盘作为航空发动机的关重件和限寿件，其寿命可靠性直接关系到飞机和发动机的使用安全。先进发动机的发展需要包括涡轮盘在内的结构件在不断减轻重量以保证高性能的同时，满足越来越苛刻的高可靠性、长寿命的要求。因此，针对涡轮盘展开全面精确的寿命可靠性评估，是发动机提升性能和保证安全的必要手段。目前涡轮盘的寿命可靠性评估常采用传统的“热点法”(HotSpotMethod)，又称“危险点法”，方法以结构危险点为考核对象，将危险点的寿命水平作为结构整体的寿命评估结果。随着航空发动机性能和安全性要求的不断提升，热点法的局限性越来越明显。首先，热点法忽略了涡轮盘螺栓孔、封严蓖齿等应力集中部位的应力梯度对疲劳寿命的影响，往往会给出偏保守的结果，容易造成结构冗余，不利于充分挖掘结构的性能；其次，热点法往往基于标准试样疲劳试验数据对结构进行寿命可靠性评估，忽略了试样与实际涡轮盘之间的体积差异对疲劳寿命的影响，体积越大包含材料缺陷的概率越高，相同载荷水平下，材料缺陷萌生为裂纹的概率也越高，寿命越低，因此无法完全保证涡轮盘的绝对安全。
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，提供一种基于贝叶斯校准的涡轮盘最弱环非局部概率寿命评估方法，能够考虑应力梯度和体积差异对涡轮盘疲劳寿命的影响，进一步提高涡轮盘疲劳寿命预测精度。本专利技术解决方案：一种基于贝叶斯校准的涡轮盘最弱环非局部概率寿命评估方法，包括以下步骤：(1)针对涡轮盘不同部位盘缘、辐板和盘心材料性能差异和结构特征部位应力集中，分别设计光滑圆棒试样和涡轮盘特征部位结构模拟件，并对涡轮盘盘坯取样，通过开展光滑圆棒应变控制低循环疲劳试验，获得材料的低循环疲劳试验数据；通过开展不同尺寸比例的涡轮盘结构模拟件应力控制试验，获得涡轮盘结构特征部位低循环疲劳寿命试验数据；(2)基于步骤(1)获得的材料低循环疲劳试验数据，采用最小二乘法回归分析建立反映能量密度参数和寿命关系的三参数幂函数寿命模型；(3)结合步骤(1)获得的材料低循环疲劳试验数据和涡轮盘特征部位低循环疲劳寿命试验数据，基于结构最弱环法建立涡轮盘结构模拟件疲劳寿命的Weibull可靠度函数，采用Weibull分布参数估计法确定Weibull可靠度函数的寿命分布指数bN及其分布；(4)对涡轮盘结构模拟件进行有限元分析，结合步骤(3)获得的寿命分布指数bN计算涡轮盘结构模拟件有效体积VEW上的等效能量密度参数进而根据步骤(2)建立的三参数幂函数寿命模型得到涡轮盘结构模拟件的疲劳寿命Weibull可靠度函数。当可靠度或失效概率取0.5时，得到涡轮盘结构模拟件的预测中值寿命NP；(5)结合步骤(1)获得的涡轮盘结构特征部位低循环疲劳寿命试验数据，采用贝叶斯校准对bN进行校准，基于MCMC抽样方法获得校准的bN后验分布，采用校准后的bN重复步骤(4)获得涡轮盘结构模拟件的疲劳寿命Weibull可靠度函数。当可靠度或失效概率取0.5时，得到涡轮盘结构模拟件的预测中值寿命NP；当可靠度分别取0.9987和0.0013时，得到涡轮盘结构模拟件的±3σ寿命曲线。所述步骤(4)中，有效体积VEW采用以下方法确定：假设存在系数K(K取0.9或0.95)，能量密度参数ΔW大于K倍最大能量密度参数ΔWmax的体积即为有效体积：式中，[ΔW]表示有效体积VEW上的能量密度参数，ΔW表示能量密度参数，ΔWmax表示最大能量密度参数，K表示有效体积系数。所述步骤(4)中，等效能量密度参数表示为：式中，V0表示光滑圆棒试样的考核段体积，V表示涡轮盘结构模拟件体积，ΔW表示能量密度参数，bW表示能量密度参数分布指数，bW＝m·bN。等效能量密度参数可通过以下方法获得：对涡轮盘结构模拟件进行有限元分析，将所有体积的离散化单元按体积大小从小到大排序，第i个单元的体积为Vi，能量密度参数为ΔWi，设每个有限元单元中应力从最小应力到最大应力线性变化，应变也满足类似规律，即：式中，V表示涡轮盘结构模拟件体积，下标i表示第i个单元，在单元内变量从小到大的取值分别用上标min和max标记。通过对有效体积内离散单元的等效能量密度参数求和得到等效能量密度参数可表示为：式中，V0表示光滑圆棒试样的考核段体积，V表示涡轮盘结构模拟件体积，表示第i个单元的等效能量密度参数，bW表示能量密度参数分布指数，bW＝m·bN。所述步骤(5)中，采用贝叶斯校准对bN进行校准，通过对失效概率为50％下的均值寿命：两边取对数获得贝叶斯校准模型：式中，Nf0表示失效概率为50％下的均值寿命，表示光滑圆棒试样特征疲劳寿命，bN表示疲劳寿命分布指数，由步骤(3)确定，并选择拟合结果中相关系数大于0.9的值拟合得到bN分布作为先验分布，ε表示拟合误差，服从正态分布，记为将步骤(1)获得的m组涡轮盘结构模拟件低循环疲劳寿命试验数据代入贝叶斯校准模型并相乘，取对数后得到对数似然函数：式中，Nf表示涡轮盘结构模拟件低循环疲劳寿命试验数据，σ表示寿命分布指数bN先验分布标准差，Ni表示第i件涡轮盘结构模拟件低循环疲劳寿命。本专利技术与现有技术相比的优点在于：本专利技术一种基于贝叶斯校准的涡轮盘最弱环非局部概率寿命评估方法与传统方法相比，将三参数幂函数寿命模型引入结构最弱环法，使得主要用于疲劳极限和应力疲劳寿命分析的结构最弱环法得以推广至低循环疲劳范围；针对疲劳寿命预测受Weibull分布寿命分布指数bN影响较大，基于贝叶斯校准方法，结合涡轮盘特征部位结构模拟件疲劳寿命试验数据对bN校准，进一步提高疲劳寿命预测精度；基于光滑圆棒试样和100％尺寸比例结构模拟件疲劳试验数据对100％、80％、60％和40％不同尺寸比例结构模拟件实现确定性寿命预测和概率寿命分析，考虑几何尺寸效应和统计尺寸效应的同时兼顾疲劳寿命预测精度。附图说明图1为本专利技术一种基于贝叶斯校准的涡轮盘最弱环非局部概率寿命评估方法的流程图；图2为未经过贝叶斯校准中心圆孔平板试样寿命预测结果；图3为经过贝叶斯校准中心圆孔平板试样寿命预测结果。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术一种基于贝叶斯校准的结构最弱环非局部概率寿命评估方法的技术方案做进一步说明。如图1所示，本专利技术的一种基于贝叶斯校准的结构最弱环非局部概率寿命评估方法，主要包括：涡轮盘试样低循环疲劳试验、三参数幂函数寿命模型建立、结构最弱环法、贝叶斯校准参数以及疲劳寿命概率分析，实现步骤如下：(1)针对涡轮盘不同部位盘缘、辐板和盘心材料性能差异和结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于贝叶斯校准的涡轮盘最弱环非局部概率寿命评估方法，其特征在于包括以下步骤：/n(1)针对涡轮盘不同部位盘缘、辐板和盘心材料性能差异和结构特征部位应力集中，分别设计光滑圆棒试样和涡轮盘特征部位结构模拟件，并对涡轮盘盘坯取样，通过光滑圆棒应变控制低循环疲劳试验，获得材料的低循环疲劳试验数据；通过开展不同尺寸比例的结构模拟件应力控制试验，获得涡轮盘结构特征部位低循环疲劳寿命试验数据；/n(2)基于步骤(1)获得的材料低循环疲劳试验数据，采用最小二乘法回归分析建立反映能量密度参数和寿命关系的三参数幂函数寿命模型；/n(3)结合步骤(1)获得的材料低循环疲劳试验数据和涡轮盘结构特征部位低循环疲劳寿命试验数据，基于结构最弱环法建立涡轮盘结构模拟件疲劳寿命Weibull可靠度函数，采用Weibull分布参数估计法确定Weibull可靠度函数的寿命分布指数b

【技术特征摘要】
1.一种基于贝叶斯校准的涡轮盘最弱环非局部概率寿命评估方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)针对涡轮盘不同部位盘缘、辐板和盘心材料性能差异和结构特征部位应力集中，分别设计光滑圆棒试样和涡轮盘特征部位结构模拟件，并对涡轮盘盘坯取样，通过光滑圆棒应变控制低循环疲劳试验，获得材料的低循环疲劳试验数据；通过开展不同尺寸比例的结构模拟件应力控制试验，获得涡轮盘结构特征部位低循环疲劳寿命试验数据；
(2)基于步骤(1)获得的材料低循环疲劳试验数据，采用最小二乘法回归分析建立反映能量密度参数和寿命关系的三参数幂函数寿命模型；
(3)结合步骤(1)获得的材料低循环疲劳试验数据和涡轮盘结构特征部位低循环疲劳寿命试验数据，基于结构最弱环法建立涡轮盘结构模拟件疲劳寿命Weibull可靠度函数，采用Weibull分布参数估计法确定Weibull可靠度函数的寿命分布指数bN及其分布；
(4)对涡轮盘结构模拟件进行有限元分析，结合步骤(3)获得的寿命分布指数bN计算涡轮盘结构模拟件有效体积VEW上的等效能量密度参数进而根据步骤(2)建立的三参数幂函数寿命模型得到涡轮盘结构模拟件的疲劳寿命Weibull可靠度函数，当可靠度或失效概率取0.5时，得到涡轮盘结构模拟件的预测中值寿命NP；
(5)结合步骤(1)获得的涡轮盘特征部位低循环疲劳寿命试验数据，采用贝叶斯校准对bN进行校准，基于MCMC抽样方法获得校准的bN后验分布，采用校准后的bN重复步骤(4)获得涡轮盘结构模拟件的疲劳寿命Weibull可靠度函数，当可靠度或失效概率取0.5时，得到涡轮盘结构模拟件的预测中值寿命NP；当可靠度分别取0.9987和0.0013时，得到涡轮盘结构模拟件的±3σ寿命曲线。


2.根据权利要求1所述的一种基于贝叶斯校准的涡轮盘最弱环非局部概率寿命评估方法，其特征在于：所述步骤(4)中，有效体积VEW采用以下方法确定：假设存在系数K(K取0.9或0.95)，能量密度参数ΔW大于K倍最大能量密度参数ΔWmax的体积为有效体积：



式中，[ΔW]表示有效体积VEW上的能量密度参数，ΔW表示能量密度参数...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡殿印，王荣桥，胡如意，刘茜，
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