航空發動機渦輪盤結構可靠性計算方法研究現狀

在高溫、高速等惡劣環境中的動力傳輸靠航空發動機渦輪盤來實現，其作用是將葉片進行安裝并固定，在運行過程中會有相當大的熱應力和離心力產生，同時由葉片旋轉產生的氣動力和離心力也會作用在渦輪盤上。隨著科技的發展，航空發動機不斷提升的運行速度也促進了航空發動機功率的提高，導致機械負載以及渦輪盤內部應力大幅提升。渦輪盤的主要失效模式包括振動、低循環、接觸疲勞、蠕變及其耦合效應等。

可靠性是指在指定的時間段內以及特定條件下的產品執行指定功能的能力，其定量分析則由相應的可靠性數據分析來完成。可靠性數據分析是由數據收集系統將產品在實驗、研制生產過程中產生的可靠性數據進行收集統計，然后采用概率統計的方法，以可靠性結構和系統功能為基礎得出系統各種可靠性量化指標的定量估算方法。

1  機械結構可靠性研究辦法

在當前的機械結構可靠性分析研究中，內容主要包括結構發生失效的概率計算以及確定失效模式?？煽啃灾笜说挠嬎阃ǔ６家嬎愣嘀胤e分，因此精確度高，可靠度數值接近1。以下是幾種計算失效概率的方法：

1.1  一次二階矩陣法

通過使用方差和均值對結構的可靠度進行描述的一次二階矩法，對非線性問題進行近似性處理，可以很好地處理確定變量概率密度時遇到的難題。

1.2  原始分析法研究

以概率統計的理論為基礎，將結構設計中的不確定因素假定為都服從正態分布從而推導結構的失效概率。

1.3  R-F法

Rackwitz和Fiesslerz提出的將非正態分布的隨機變量做等價正態變換，使之轉化為正態分布，從而很好地解決了由于部分不服從正態分布的隨機變量引起的可靠性分析難以進行的難題。

1.4  H-L法

Hasofer與Lind提出將狀態極限方程進行展開得到的失效概率等效于非線性狀態極限方程從而解決了在一次二階矩法中產生的不穩定性的問題。

1.5  高次高階矩法

高次高階矩法在原理相似于一次二階矩法，其通過用極限狀態的方程偏導數得到Taylor級數從而獲取可靠性數據，進而對數據進行精確計算，因此具有較高的精度。但是缺點也很明顯，那就是求導的函數可能會很復雜，求解的難度大。

1.6  數值積分法

當聯合密度函數已知時，數值積分法可以用來解決相對簡單的失效概率，其主要由降解積分法和雙正態概率積分來實現，特別是對于積分部分比較規則、隨機變量相對簡單的情況。該方法的數學基礎是通過尋找失效區域中變量狀態極限函數的聯合概率密度函數的積分來找出失效概率。

1.7  組合超平面法

該方法主要通過使用狀態極限方程來解決非線性疲勞失效問題，如果臨界函數是非線性的，則使用超平面來逼近超曲面，而當超曲面的曲率增加時，其精度也會逐漸降低，因此該方法主要是為了解決這個問題。

其他方法還包括有神經網絡法和響應面法等。

2  航空發動機渦輪盤結構可靠性計算國內研究現狀

2.1  應用Monte-Carlo法研究

在對渦輪盤的可靠性以及低循環下疲勞壽命問題進行研究時，主要從轉速波動性以及材料物理性能的分散性對產品疲勞壽命產生的影響進行考量，應用疲勞壽命理論模型結合Monte-Carlo法開展產品可靠性分析。

2.2  應用二次法研究

通過以渦輪盤低周疲勞強度的壽命可靠性為基礎來設計概率相關有限元算法以及一次二階矩法進行研究。

2.3  應用響應面法研究

在研究渦輪盤可靠性與低循環疲勞之間的關系時，把材料的低循環疲勞性能指數、載荷以及材料物理特性等參數定為隨機因素，從而得到基于響應面法的一種結構可靠性分析的方法，根據測試結果顯示，這種方法計算速度快，精度也比較高。

將渦輪盤結構的設計公差加入到經過平均應力修正之后的Manson-coffin公式中，從而成立疲勞壽命相關的可靠性模型，然后以修正的Manson-coffin公式為可靠性模型來作為壽命分析的數學模型，應用響應面法進行處理。該方法具有精度高、靈敏度強的優點。

對于初期設計渦輪盤的過程中可用來應用的試驗數據過少的問題，進行了以區間不確定性為基礎的渦輪盤可靠性強度的優化方案，設計了變量相應面函數，以非概率可靠性為核心，簡化算法結構，將雙重的可靠性優化設計過程轉換成單重的優化過程，提升了計算效率。

2.4  結合響應表面法與Monte-Carlo 法進行研究

唐俊星探討了低周疲勞壽命可靠性相關的算法問題，他的主要思路是全面考慮Monte-Carlo 法、響應表面法以及有限元分析，從而達到計算分析渦輪盤低周疲勞壽命可靠性的目標。

裴月通參考借鑒Miner線性累積損傷理論以及 Masson-Coffin公式，通過綜合Monte-Carlo法和響應面法來進行高壓渦輪盤彈塑性相關的有限元分析，同時考慮隨機因素的靈敏度，分析找到關系渦輪盤運行壽命的關鍵因素，進而得出在渦輪盤的主次循環共同作用之下的低循環疲勞壽命。

牟園偉將載荷分散性和渦輪盤材料加入渦輪盤低周疲勞壽命可靠性及持久性中的評估中，進而建立可靠性數據模型來計算產品持久壽命。其主要理論依據是以 Monte-Carlo 法及響應面法為基礎，對某渦輪盤開展其相關的持久壽命可靠度的計算，同時按照 Miner線性損傷累積理論，對有關蠕變損傷的渦輪盤低周疲勞壽命開展了可靠性評估。

2.5  應用神經網絡法研究

張義民利用徑向基函數神經網絡擬合，從而得出渦輪盤隨機設計變量影響其低周疲勞強度的可靠性。基于可靠性靈敏度技術以及隨機攝動法設計靈敏度，解決了實際工程中不能給出極限狀態函數顯示的難題。

任如飛在對低壓一級渦輪盤進行接觸疲勞壽命可靠性分析時，采用遺傳算法優化了三層BP神經網絡模擬非線性接觸部位的應變振幅分布，進而得到了應變—壽命分布模型和相應的可靠性下的疲勞壽命。

2.6  應用模糊法進行研究

考慮到傳統渦輪盤確定性應力和壽命的分散性，采用模糊可靠性積分法來計算渦輪盤關鍵部位和整個渦輪盤的結構可靠度分布，在對渦輪盤的整體可靠性水平的掌握基礎上，為進一步設計渦輪盤提供了一定的參考價值。

3  結語

綜上所述，盡管當前我國在航空領域科技研究與國際領先國家仍有差距，但隨著政府的投入加大，國內外科技研究、交流的不斷深入，渦輪盤結構可靠性計算方法研究前景可期。

本文來源：《企業科技與發展》：http://www.007hgw.com/w/qk/21223.html