一种涡轮盘结构概率设计系统的构建方法技术方案

一种涡轮盘结构概率设计系统的构建方法，它有六大步骤：一：分析涡轮盘结构概率设计流程，对失效模式进行分析，确定概率设计流程的系统功能模型；二：分别提取轮盘子午面和榫槽的特征参数，完成参数化建模；三：将涡轮盘常用材料以电子表格形式保存，形成材料库工具；四：集成雨流计数程序，处理基准载荷谱，为低循环分析提供主次循环载荷参数并集成ＭＡＴＬＡＢ数据处理函数，用双参数特性函数表示疲劳－蠕变耦合；五：对应变寿命模型的异方差特性进行研究并提供模型，实现对疲劳试验数据的异方差回归处理；六：以任务为基本单元和涡轮盘概率设计流程为核心的原则，搭建涡轮盘结构概率设计系统数据库。本发明专利技术在航空航天发动机领域内具有广阔地应用前景。

【技术实现步骤摘要】

涡轮盘结构概率分析作为一种可量化风险的分析方法在高性能航空燃气涡轮发 动机中逐渐得到应用。本专利技术涉及一种涡轮盘结构概率设计系统(即T-PDS)的构建方法， 属于航空航天技术中的发动机

技术介绍
传统的涡轮盘结构设计方法是基于确定性设计参数基础上的，假设结构所有的特 征参数为确定值的前提下对结构进行应力或寿命分析，然后用一个安全系数来估计随机因 素对结构安全的影响。由于涡轮盘失效后果不可想象，因此设计过程中为了保证该核心部 件正常工作，通常假定足够大的安全系数，此举虽然能够减少结构失效的机率，但并不能绝 对防止失效的发生，更重要的是该措施造成设计过于保守，不但导致结构重量的增加和材 料的浪费，对发动机性能的提高更是极为不利。针对确定性设计方法的缺陷，提出了概率设 计的概念。概率设计又称为可靠性设计，这种设计方法认为，作用于结构的真实外载荷及结 构的真实承载能力，都是概率意义上的量，设计时不可能予以精确的值，称为随机变量或随 机过程，它服从一定的分布。以此为出发点进行结构设计，能够与客观实际情况更好的符 合。概率设计可以量化风险，确定涡轮盘在一定置信区间内的可靠度，从而使涡轮盘结构设 计满足可靠性要求。同时对涡轮盘进行概率设计的一个很突出的优点是能够减轻涡轮盘的 重量，降低成本，从而达到提高发动机性能(推重比)的目的。由此可见，概率设计可同时 满足发动机构件设计提高性能和提高可靠性的双重要求，具有重要的工程应用价值和实际眉、o目前国外已经研制出甚至达到可用度较高的概率设计系统，如GE的转子概率设 计系统(PRDS)等，而我国在这方面的研究起步较晚，还处于概率设计系统设计与实现的研 究阶段。所以目前针对涡轮盘结构的概率设计系统的具体设计与实现还未见文献记载。
技术实现思路
1、目的:本专利技术的目的是为了提供，该方法为设 计人员提供一个概率设计的平台，它提高涡轮盘的设计水平，从而提高航空发动机的性能。2、技术方案见图1，本专利技术从涡轮盘概率设计流程出发，集成如参数化特征建模、概率分析方 法、载荷谱处理、参数假设检验等自行开发程序和UG、MATLAB、ANSYS等设计、分析软件，选 择低循环疲劳和疲劳-蠕变耦合失效模式作为系统的典型失效模式，形成了一套涡轮盘结 构概率设计系统(T-PDS)。本专利技术，其特征在于步骤一分析涡轮盘结构概率设计流程，涡轮盘概率设计需要收集涡轮盘试验数 据和外场使用数据，并对数据进行统计处理，确定涡轮盘初始模型参数和边界条件后，选定其典型失效模式进行可靠性分析，最后通过流程辅助与设计决策体系辅助设计过程并最终 评判设计方案。对概率设计流程的分析与拆解，确定了概率设计流程的系统功能模型，见图 6，包括几何建模、随机变量定义、载荷谱、失效模式分析和设计决策主要功能。步骤二 将典型涡轮盘结构分解为轮盘子午面和榫槽两部分，分别对其提取特征 参数，完成参数化特征建模。针对参数化模型，利用VC6.0为开发平台，采用UG OPEN/API 对三维建模软件UGNX进行外部开发，实现典型涡轮盘结构的参数化特征建模工具。参数化 特征建模工具为涡轮盘结构概率设计系统提供了可不断修改的模型，为概率设计提供了基 本保障。步骤三将涡轮盘常用材料以电子表格形式保存，采用面向对象的OLE技术开发 材料库工具，以宏文件的方式提供给有限元分析软件，形成涡轮盘常用材料库工具。本工具 不仅能够提供弹性模量、泊松比、线膨胀系数等基本材料参数的需求，同时将循环应力应变 曲线采用下列Ramberg-Osgood方程(3_1)表示，并对其随机化处理，为整个系统完成涡轮 盘概率设计提供了确定性材料和随机化材料。 式中A e t——应变范围；A o-应力范围；E——弹性模量K'——循环强度系数；n'——循环应变硬化指数。步骤四集成雨流计数程序，处理基准载荷谱，为低循环分析提供主次循环载荷参 数，同时集成MATLAB的数据处理函数，基本实现独立的数据处理能力，能够完成对外场数 据分布类型的点参估计、区间估计和假设检验。步骤五在考虑载荷随机和材料随机的基础上，对于Masson-coffin应变寿命模 型(5-1)不仅保留了传统的假设疲劳参数为正态分布的做法，而且对应变寿命模型的异方 差特性进行了研究，实现对疲劳试验数据的异方差回归处理，提供应变寿命模型的异方差 可靠性模型。疲劳蠕变耦合概率分析中，采用双参数特性(5-2)表征的疲劳蠕变耦合函数。 式中A e t——应变范围；of'—疲劳强度系数；E——弹性模量；b——疲劳强度指数；ef'——疲劳延性系数；c——疲劳延性指数；Nf——失效循环数。 式中Df——疲劳损伤；D。——蠕变损伤；e17 e2—材料参数，由实验确定。步骤六以任务为基本单元，以涡轮盘概率设计流程为涡轮盘结构概率设计系统 核心的原则，搭建涡轮盘结构概率设计系统数据库，为概率设计过程提供数据管理和数据 支持。系统的任务是按照流程自动建立的，数据库中自动记录用户的操作任务，只有完成了 上一步的操作，下一步的任务模块才会在系统工程树列表中显示出来，同时系统会将概率 设计流程显示到实时显示窗口中，以红色标记已经完成的任务，实时提醒设计人员。涡轮盘结构概率设计系统利用后台命令APDL集成ANSYS作为有限元分析平台，集 成UGNX实现三维建模，集成自开发参数化特征建模工具实现参数化建模，集成自开发材料 工具实现随机化材料，集成MATLAB实现数据处理，集成自开发雨流计数程序实现基准载荷 谱处理，并以SQL SERVER2000数据库作为提供全局数据支持。通过上述方法和步骤，开发 的涡轮盘结构概率设计系统包括参数化特征建模、随机变量定义、材料管理、载荷定义、参 数假设检验、响应面处理、流程选择、寿命计算、设计决策、二维优化、三维应力应变分析、破 裂转速概率分析、低循环疲劳概率分析、疲劳-蠕变耦合概率分析等功能模块，各个模块即 独立存在又相互关联，共同构成涡轮盘概率设计流程。设计人员即可以选择利用单独一个 模块，也可以选择整个流程进行概率设计。所述参数化特征建模是自开发典型涡轮盘结构的参数化特征建模工具，包括轮盘 子午面设计和榫槽截面设计两部分，其静态用例图如图7(a)所示；所述材料管理是自开发涡轮盘常用材料库工具，根据设计分析需要分别提供基本 材料参数和随机化应力应变曲线，其静态用例图如图8(b)所示；所述载荷定义是不仅包括转速等基本信息的定义，也集成雨流计数方法对基准载 荷谱的处理，其静态用例图如图8(a)所示；所述参数假设检验是集成MATLAB的数据处理函数，完成对数据假设检验；所述响应面处理是集成高精度CVT抽样方法；所述流程选择是设计人员在分析中选择需要适用的流程；所述寿命计算是集成自开发低循环疲劳寿命公式计算工具和疲劳_蠕变耦合寿 命计算工具。3、功效及优点本专利技术一种涡轮盘结构概率设计系统(T-PDS)的构建方法，通过完成对涡轮盘结 构概率系统的设计与实现，为涡轮盘的设计提供了一个可以进行概率化设计的平台。较传 统确定性设计相比，T-PDS系统针对涡轮盘设计进行辅助设计，设计过程采用可靠性进行约 束，能够在提升性能和保证可靠性的情况下，显著的降低涡轮盘的重量，量化风险。附图说明图1为涡轮盘概率设计流程图；图2为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种涡轮盘结构概率设计系统的构建方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一：分析涡轮盘结构概率设计流程，涡轮盘概率设计需要收集涡轮盘试验数据和外场使用数据，并对数据进行统计处理，确定涡轮盘初始模型参数和边界条件后，选定其典型失效模式进行可靠性分析，最后通过流程辅助与设计决策体系辅助设计过程并最终评判设计方案，对概率设计流程的分析与拆解，确定了概率设计流程的系统功能模型，包括几何建模、随机变量定义、载荷谱、失效模式分析、设计决策；步骤二：将典型涡轮盘结构分解为轮盘子午面和榫槽统核心的原则，搭建涡轮盘结构概率设计系统数据库和Ｅ－Ｒ模型，为概率设计过程提供数据管理和数据支持；系统的任务是按照流程自动建立的，数据库中自动记录用户的操作任务，只有完成了上一步的操作，下一步的任务模块才会在系统工程树列表中显示出来，同时系统会将概率设计流程显示到实时显示窗口中，以红色标记已经完成的任务，实时提醒设计人员。两部分，分别对其提取特征参数，完成参数化建模；针对参数化模型，利用ｖｃ６．０为开发平台，采用ＵＧＯＰＥＮ／ＡＰＩ对三维建模软件ＵＧＮＸ进行外部开发，实现典型涡轮盘结构的参数化特征建模工具；参数化特征建模工具为涡轮盘结构概率设计系统提供了可不断修改的模型，为概率设计提供了基本保障；步骤三：将涡轮盘常用材料以电子表格形式保存，采用面向对象的ＯＬＥ技术开发材料库工具，以宏文件的方式提供给有限元分析软件，形成涡轮盘常用材料库工具；本工具不仅能够提供弹性模量、泊松比、线膨胀系数等基本材料参数的需求，同时将循环应力应变曲线采用Ｒａｍｂｅｒｇ－Ｏｓｇｏｏｄ方程（１）表示，并对其随机化处理，为整个系统完成涡轮盘概率设计提供了确定性材料和随机化材料；Δε↓［ｔ］／２＝Δσ／２Ｅ＋（Δσ／２Ｋ′）↑［１／ｎ′］（１）式中：Δε↓［ｔ］－－应变范围；Δσ－－应力范围；Ｅ－－弹性模量Ｋ′－－循环强度系数；ｎ′－－循环应变硬化指数；步骤四：集成雨流计数程序，处理基准载荷谱，为低循环分析提供主次循环载荷参数，同时集成ＭＡＴＬＡＢ的数据处理函数，基本实现独立的数据处理能力，完成对外场数据分布类型的点参估计、区间估计和假设检验；步骤五：在考虑载荷随机和材料随机的基础上，对于Ｍａｓｓｏｎ－ｃｏｆｆｉｎ应变寿命模型（２）不仅保留了传统的假设疲劳参数为正态分布的做法，而且对应变寿命模型的异方差特性进行了研究，实现对疲劳试验数据的异方差回归处理，提供应变寿命模型...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王荣桥，陈景阳，蔡坤，胡殿印，樊江，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]