CN105447272B - 一种涡轮叶盘结构振动可靠性设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮叶盘结构振动可靠性设计方法，初始方案设计，确定结构的几何形状并计算重量；绘制Campbell图，将确定性避开共振裕度作为优化约束条件；分析影响涡轮叶盘结构的几何、材料等，通过发动机原始飞行参数记录和载荷谱分析，获得发动机的转速谱，获得确定性设计准则给定的避开共振裕度的可靠度；针对结构振动概率准则，对振动可靠性分析结果进行评估。如结构可靠性结果不满足要求，则返回设计支持；对每个危险振型进行分析，并对全部振型进行组合风险评估，计算涡轮叶盘结构满足给定避开共振裕度的可靠性；判断是否满足各项技术指标要求，如不满足转入设计支持，对尺寸或材料进行修改。

Description

一种涡轮叶盘结构振动可靠性设计方法
技术领域
本发明是一种针对航空发动机涡轮叶盘结构振动的可靠性设计方法，它是一种能够考虑材料、几何、载荷等因素分散性的设计方法，属于航空航天发动机技术领域。
背景技术
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则要求低的破坏概率，可达10-5-10-7次/飞行小时)。航空发动机中叶片振动疲劳损伤故障是多发性的常见故障，其故障比率往往占到发动机零件疲劳故障的30％～40％。目前，振动问题仍是困扰发动机涡轮叶盘结构的主要问题之一。究其原因，在设计过程中，振动仅仅通过给定避开共振裕度保证，导致某些状况下结构设计偏于保守，而某些状况下结构设计偏于危险。这主要是由于未考虑设计输入随机性、未考虑振动可靠性设计造成的。
传统的结构设计常利用Campbell图确定结构的共振转速，并给定避开共振裕度，规定在工作转速内叶片不存在共振状态或接近共振状态。为保证安全，给定的避开共振裕度往往偏大，造成结构冗余。因此，涡轮叶盘结构振动可靠性设计是提高推重比的重要手段。同时，由于结构设计过程中没有考虑材料、几何、转速的分散性，不能量化结构共振的风险，不能保证涡轮叶盘在飞行过程中完全避免共振状态。
发明内容
本发明技术解决方案：克服现有技术的不足，提供一种涡轮叶盘结构振动可靠性设计方法，量化结构的失效风险。
本发明技术解决方案：一种涡轮叶盘结构振动可靠性设计方法，考虑全部危险振型，确定结构在给定的避开共振裕度指标下的综合可靠度。主要包括：初始方案设计、危险振型分析、振动可靠性设计和设计决策四个部分。振动可靠性设计考虑载荷、材料和几何尺寸等随机因素造成的寿命分散性；将避开共振的可靠度和涡轮叶盘结构重量作为设计决策函数，若不满足设计要求，需重新修改设计直到满足涡轮叶盘结构高性能和高可靠性的双重指标。
实现步骤如下：
(1)初始方案设计：首先开展涡轮叶盘结构初始方案设计，根据强度、气动要求确定涡轮叶盘结构初步形式，并使共振转速不落在发动机设计工作转速附近或者发动机在共振转速下停留时间不长；计算并确定涡轮叶盘结构初始方案的重量，为后续步骤提供重量初始量；
(2)确定性详细设计：通过涡轮叶盘选取的材料性能试验或材料数据手册，获取涡轮叶盘结构的材料属性；通过传热分析或实际测量，获取结构的温度场；对涡轮叶盘结构进行考虑预应力的模态分析；结合结构前后静叶或支板结构，确定涡轮叶盘结构的激振源；结合模态分析结构与激振源确定的倍频线绘制Campbell图，如图1所示，根据涡轮叶盘的设计转速，获得涡轮叶盘结构的避开共振裕度，结合确定性设计准则，判断涡轮叶盘结构是否满足准则要求；若不满足确定性设计准则要求，则返回设计支持，即以分析结果作为支持查找原因，对涡轮叶盘结构尺寸或材料进行修改，直到满足确定性设计准则为止；
(3)振动可靠性设计：在确定性详细设计的基础上，分析影响涡轮叶盘结构的几何、材料随机因素及其分布特征，获得各阶固有频率尤其危险振型固有频率的分布特征；通过发动机原始飞行参数记录和载荷谱分析，获得发动机的转速谱，进而获得激励源频率的分布特征，并结合给定的避开共振裕度修正激励源频率；结合危险振型固有频率的分布特征与危险激励源频率的分布特征，获得确定性设计准则给定的避开共振裕度的可靠度，针对结构振动概率准则，对涡轮叶盘结构振动可靠性分析结果进行评估，如涡轮叶盘结构可靠性结果不满足要求，则返回设计支持，即以分析结果作为支持查找原因，对涡轮叶盘结构尺寸或材料进行修改；
(4)组合风险评估：对每个危险振型进行步骤(3)的分析，并对全部振型进行组合风险评估，计算涡轮叶盘结构满足给定避开共振裕度的综合可靠度；
(5)设计决策：依据涡轮叶盘结构初始方案的重量，避开共振裕度和可靠性各项技术指标，对涡轮叶盘结构进行评估，若各项技术指标满足要求，则完成设计；否则转入设计支持，结合分析结果查找原因，返回涡轮叶盘结构初始方案，对涡轮叶盘结构尺寸或材料进行修改，再次重复步骤(2)至(5)，如此反复进行直到满足设计决策要求。
所述步骤(3)中，避开共振裕度修正激励源频率时，考虑结构避开共振裕度δ，将激励源频率的低频率危险振型进行(1+δ)修正，将激励源频率的高频率危险振型进行(1-δ)修正。
所述步骤(4)中在进行组合风险评估时，将涡轮叶盘结构避开全部危险振型看作串联模型，来计算涡轮叶盘结构的避开共振的综合可靠度(i＝m,...,n)，Pi为各危险振型的可靠度，危险振型分别为第m，m+1，m+2，…，n阶振型。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明涡轮叶盘结构振动可靠性设计方法，与传统涡轮叶盘结构确定性设计方法相比，全面考虑了载荷、材料和几何尺寸等随机因素的分散性，量化了涡轮叶盘结构振动的失效风险，最后基于振动可靠性分析结果，对涡轮叶盘结构进行优化。
附图说明
图1 Campbell图的示意图；
图2为本发明的涡轮叶盘结构振动可靠性设计方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明涡轮叶盘结构振动可靠性设计方法的技术方案做进一步说明。
考虑载荷、材料和几何等因素的分散性，结合涡轮叶盘结构振动可靠性准则，本发明提的涡轮叶盘结构振动可靠性设计方法，其流程见图2。
(1)初始方案设计：首先开展初始方案设计，根据强度、气动等要求确定结构初步形式，并使共振转速不落在发动机设计工作转速附近或者发动机在共振转速下停留时间不长；计算并确定初始方案的重量，为后续步骤提供重量初始量。
(2)确定性详细设计：通过材料性能试验或材料数据手册，获取涡轮叶盘结构的材料属性，如弹性模量、泊松比、屈服应力等；通过传热分析或实际测量，获取结构的温度场；使用ANSYS、ABAQUS等有限元软件对涡轮叶盘结构进行考虑预应力的模态分析，获得涡轮叶盘结构在不同转速下各阶振型的固有频率；结合结构前后的其他结构形式，确定结构的危险激振源，进而确定Campbell图所需倍频线，如涡轮叶片前有20片导叶，则倍频线为y＝20x/2π，其中x为横轴转速，y为纵轴频率；根据各阶振型的固有频率与倍频线绘制Campbell图，如图1所示；根据设计转速，获得涡轮叶盘结构的避开共振裕度(激振频率与叶片固有频率的差值的绝对值和激振源频率的比值)，结合确定性设计准则，判断涡轮叶盘结构是否满足准则要求，如一般要求避开共振裕度15％-20％。若不满足准则要求，则返回设计支持，修改结构，直到满足确定性设计准则为止。
(3)失效模式的寿命可靠性设计：在确定性详细设计的基础上，分析影响涡轮叶盘结构振动的几何尺寸、材料等随机因素及其分布特征，如弹性模量满足正态分布等；获得各阶固有频率尤其危险振型固有频率的分布特征，如图1中若工作转速为500rad/s，则涡轮前56片导叶为危险激励源，56倍频线与第七阶和第八阶振型的交点的横坐标在500rad/s附近，因此危险振型为第七阶与第八阶振动；通过发动机原始飞行参数记录和载荷谱分析，获得发动机的转速谱，进而获得激励源频率的分布特征，例如图1中转速如果满足正态分布，则危险激励源频率也满足正态分布，均值和标准差可以根据f＝56×v/2π确定，其中v为发动机转速，f为激励源频率；结合危险振型固有频率的分布特征与危险激励源频率的分布特征，如第七阶f7与第八阶f8的分布特征以及激励源频率f的分布特征，根据确定性设计准则给定的避开共振裕度(如避开共振裕度δ＝15％)，则f7 δ＝(1+δ)f7，f8 δ＝(1-δ)f8，利用应力强度干涉模型确定P(f>f7 δ)、P(f<f8 δ)，即以δ＝15％为避开共振裕度时，结构避免共振的可靠度。针对结构振动概率准则，对振动可靠性分析结果进行评估。如结构可靠性结果不满足要求，则返回设计支持，修改结构。
(4)组合风险评估：一般危险振型不只一个，如图1为第七阶与第八阶，可靠性设计准则要求与每个危险振型保持的避开共振裕度均高可靠性的满足确定性设计准则。因此，对每个危险振型进行步骤(3)的分析，并对全部振型进行组合风险评估，计算涡轮叶盘结构满足给定避开共振裕度的综合可靠度，如图1情况结构避开共振的可靠度为P＝P(f>f7 δ)×P(f<f8 δ)。
(5)设计决策：依据结构设计的重量、避开共振裕度、可靠性各项技术指标，对涡轮叶盘结构进行设计决策。若各项技术指标满足要求，则完成设计；否则转入设计支持，结合分析结果查找原因，返回初始结构方案，对结构形式、尺寸或材料进行修改。再次重复步骤(2)至(5)，如此反复进行直到满足设计决策要求。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (2)

1.一种涡轮叶盘结构振动可靠性设计方法，其特征在于：包括初始方案设计、危险振型分析、振动可靠性设计和设计决策四个部分，实现步骤如下：
(1)初始方案设计：首先开展涡轮叶盘结构初始方案设计，根据强度、气动要求确定涡轮叶盘结构结构初步形式，并使共振转速不落在发动机设计工作转速附近或者发动机在共振转速下停留时间不长；计算并确定涡轮叶盘结构初始方案的重量，为后续步骤提供重量初始量；
(2)确定性详细设计：通过涡轮叶盘选取的材料性能试验或材料数据手册，获取涡轮叶盘结构的材料属性；通过传热分析或实际测量，获取结构的温度场；对涡轮叶盘结构进行考虑预应力的模态分析；结合结构前后静叶或支板结构，确定涡轮叶盘结构的激振源；结合模态分析结构与激振源确定的倍频线绘制Campbell图，根据涡轮叶盘的设计转速，获得涡轮叶盘结构的避开共振裕度，结合确定性设计准则，判断涡轮叶盘结构是否满足准则要求；若不满足确定性设计准则要求，则返回设计支持，即以分析结果作为支持查找原因，对涡轮叶盘结构尺寸或材料进行修改，直到满足确定性设计准则为止；
(3)振动可靠性设计：在确定性详细设计的基础上，分析影响涡轮叶盘结构的几何、材料随机因素及其分布特征，获得各阶固有频率，各阶固有频率包括危险振型固有频率的分布特征；通过发动机原始飞行参数记录和载荷谱分析，获得发动机的转速谱，进而获得激励源频率的分布特征，并结合给定的避开共振裕度修正激励源频率；结合危险振型固有频率的分布特征与危险激励源频率的分布特征，获得确定性设计准则给定的避开共振裕度的可靠度，针对结构振动概率准则，对涡轮叶盘结构振动可靠性分析结果进行评估，如果涡轮叶盘结构可靠性结果不满足要求，则返回设计支持，即以分析结果作为支持查找原因，对涡轮叶盘结构尺寸或材料进行修改；
(4)组合风险评估：对每个危险振型进行步骤(3)的分析，并对全部振型进行组合风险评估，计算涡轮叶盘结构满足给定避开共振裕度的综合可靠度；
(5)设计决策：依据涡轮叶盘结构初始方案的重量，避开共振裕度和可靠性各项技术指标，对涡轮叶盘结构进行评估，若各项技术指标满足要求，则完成设计；否则转入设计支持，结合分析结果查找原因，返回涡轮叶盘结构初始方案，对涡轮叶盘结构尺寸或材料进行修改，再次重复步骤(2)至(5)，如此反复进行直到满足设计决策要求；
所述步骤(4)中在进行组合风险评估时，将涡轮叶盘结构避开全部危险振型看作串联模型，来计算涡轮叶盘结构的避开共振的综合可靠度Pi为各危险振型的可靠度，危险振型分别为第m，m+1，m+2，…，n阶振型。
2.根据权利要求1所述涡轮叶盘结构振动可靠性设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中，避开共振裕度修正激励源频率时，考虑结构避开共振裕度δ，将激励源频率的低频率危险振型进行(1+δ)修正，将激励源频率的高频率危险振型进行(1-δ)修正。
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