CN107515989A - 一种计算航空发动机叶盘高温蠕变可靠性的双重响应面法 - Google Patents

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张春宜
王爱华
孙田
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Abstract

本发明一种计算航空发动机叶盘高温蠕变可靠性的双重响应面法。近年来可靠性理论与方法广泛应于工程结构的可靠性分析中，在叶盘高温蠕变方面的研究甚少，且求解过程随机性强，而传统的响应面法没有考虑多种失效模式的相关性且计算速度与精度不能满足需求。本发明的组成包括:确定叶盘高温蠕变分析的特性参数，建立叶盘结构有限元模型；确定叶盘高温蠕变可靠性分析的基本参数作为随机输入变量；在高温蠕变影响下对叶盘结构进行热‑结构耦合分析；采用拉丁超立方抽样技术抽取一定数量样本点构建叶盘高温蠕变可靠性分析的双重响应面法数学模型；采用双重响应面法对叶盘进行高温蠕变可靠性的分析；对双重响应面法进行有效性验证。

Description

一种计算航空发动机叶盘高温蠕变可靠性的双重响应面法
技术领域
本发明涉及一种计算航空发动机叶盘高温蠕变可靠性的双重响应面法，属于可靠性理论技术领域。
背景技术
航空发动机是结构极其复杂的旋转机械，其工作环境十分恶劣，承受着高温、高压和高转速的工作负荷。航空发动机在工作过程中一旦发生故障，将导致整个飞行系统无法正常运行，造成严重后果。在航空发动机中涡轮叶盘转换并传递能量，对航空发动机的整体性能起着决定性作用。为了满足航空发动机高性能要求，并确保稳健地运行，因此，研究涡轮叶盘结构的可靠性对航空发动机具有重要的意义。
近年来可靠性理论与方法广泛应于工程结构的可靠性分析中，在叶盘高温蠕变方面的研究甚少，且求解过程随机性强，而传统的响应面法没有考虑多种失效模式的相关性且计算速度与精度不能满足需求。
发明内容
本发明的目的是：在计算叶盘高温蠕变可靠性时，考虑热-结构耦合场之间的相互影响以及材料属性和载荷的非线性，针对传统方法的不足，提出一种计算航空发动机叶盘高温蠕变可靠性的方法，保证精度提高计算速度与效率。
本发明提供了一种计算航空发动机叶盘高温蠕变可靠性的双重响应面法，其具体过程如下：
a.确定叶盘高温蠕变分析的特性参数，建立叶盘结构有限元模型；
b.确定叶盘高温蠕变可靠性分析的基本参数作为随机输入变量；
c.在高温蠕变影响下对叶盘结构进行热-结构耦合分析；
d.采用拉丁超立方抽样技术抽取一定数量样本点构建叶盘高温蠕变可靠性分析的双重响应面法数学模型；
e.采用双重响应面法对叶盘进行高温蠕变可靠性的分析；
f.对双重响应面法进行有效性验证。
所述的一种计算航空发动机叶盘高温蠕变可靠性的双重响应面法，所述的步骤a中，根据蠕变实验数据确定蠕变特性参数，在有限元软件中对叶盘结构进行四面体网格划分。
所述的一种计算航空发动机叶盘高温蠕变可靠性的双重响应面法，所述的步骤b中，根据发动机叶盘实际工况，确定影响叶盘高温蠕变可靠性的外部载荷因素和本身结构性能参数。
所述的一种计算航空发动机叶盘高温蠕变可靠性的双重响应面法，所述的步骤c中，热分析是通过热传导将高温燃气的热量传递叶盘结构上，利用能量守恒方程对其进行热计算；结构分析是通过插值方法将热分析结果信息传递到叶盘结构，采用有限元法进行运算，而分析结果则是运用有限元的基本方程计算获得。
所述的一种计算航空发动机叶盘高温蠕变可靠性的双重响应面法，所述的步骤d中，考虑材料属性的非线性和载荷的动态性，在叶盘总体应力和应变出现位置利用拉丁超立方抽样技术对随机输入变量进行小批量的抽样，根据抽样点计算出相应的输出响应，得到拟合方程所需要的数据点，基于最小二乘法通过MATLAB矩阵实验室工具箱对数据进行回归分析建立双重响应面数学模型。
所述的一种计算航空发动机叶盘高温蠕变可靠性的双重响应面法，所述的步骤e中，采用双重响应面法对叶盘进行高温蠕变可靠性分析，即采用MATLAB编写可靠性计算的程序并对双重响应面法数学模型进行高温蠕变可靠性的计算。
所述的一种计算航空发动机叶盘高温蠕变可靠性的双重响应面法，所述的步骤f中，对双重响应面法进行有效性性验证，即在相同的计算条件下，以公认的可靠性计算方法蒙特卡罗法为基准，和响应面法相对比。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1. 本发明考虑了高温蠕变对应力、应变的影响以及输入变量的随机性、多种失效模式共存状况下的相关性。本发明能在满足精度条件下，显著的提高计算速度与效率，减少计算成本。
2.本发明能有效的解决背景技术中所述的问题，该方法使用MATLAB中已有的分类程序通过数据接口文件实现对有限元分析软件ANSYS的直接调用，结合MATLAB便捷的编程功能和ANSYS分析功能，方便工程师使用。
附图说明
图1为叶盘高温蠕变双重响应面法的可靠性分析流程图。
具体实施方式
实施例1
一种计算航空发动机叶盘高温蠕变可靠性的双重响应面法，包括以下步骤：
a.确定叶盘高温蠕变分析的特性参数，建立叶盘结构有限元模型；
b.确定叶盘高温蠕变可靠性分析的基本参数最为随机输入变量；
c.在高温蠕变影响下对叶盘结构进行热-结构耦合分析；
d.采用拉丁超立方抽样技术抽取一定数量样本点构建叶盘高温蠕变可靠性分析的双重响应面法数学模型；
e.采用双重响应面法对叶盘进行高温蠕变可靠性的分析；
f.对双重响应面法进行有效性验证。
实施例2
根据实施例1所述的一种计算航空发动机叶盘高温蠕变可靠性的双重响应面法，所述的步骤a中，根据蠕变实验数据确定蠕变特性参数，在有限元软件中对叶盘结构进行四面体网格划分。
实施例3
根据实施例1所述的一种计算航空发动机叶盘高温蠕变可靠性的双重响应面法，所述的步骤b中，根据发动机叶盘实际工况，确定影响叶盘高温蠕变可靠性的外部载荷因素和本身结构性能参数。
实施例4
根据实施例1所述的一种计算航空发动机叶盘高温蠕变可靠性的双重响应面法，所述的步骤c中，热分析是通过热传导将高温燃气的热量传递叶盘结构上，利用能量守恒方程对其进行热计算；结构分析是通过插值方法将热分析结果信息传递到叶盘结构，采用有限元法进行运算，而分析结果则是运用有限元的基本方程计算获得。
实施例5
根据实施例1所述的一种计算航空发动机叶盘高温蠕变可靠性的双重响应面法，所述的步骤d中，考虑材料属性的非线性和载荷的动态性，在叶盘总体应力和应变出现位置利用拉丁超立方抽样技术对随机输入变量进行小批量的抽样，根据抽样点计算出相应的输出响应，得到拟合方程所需要的数据点，基于最小二乘法通过MATLAB矩阵实验室工具箱对数据进行回归分析建立双重响应面数学模型。
实施例6
根据实施例1所述的一种计算航空发动机叶盘高温蠕变可靠性的双重响应面法，所述的步骤e中，采用双重响应面法对叶盘进行高温蠕变可靠性分析，即采用MATLAB编写可靠性计算的程序并对双重响应面法数学模型进行高温蠕变可靠性的计算。
实施例7
根据实施例1所述的一种计算航空发动机叶盘高温蠕变可靠性的双重响应面法，所述的步骤f中，对双重响应面法进行有效性性验证，即在相同的计算条件下，以公认的可靠性计算方法蒙特卡罗法为基准，和响应面法相对比。

Claims (7)

1.一种计算航空发动机叶盘高温蠕变可靠性的双重响应面法，其特征在于，包括以下步骤：
确定叶盘高温蠕变分析的特性参数，建立叶盘结构有限元模型；
选取叶盘高温蠕变可靠性分析的基本参数作为随机输入变量；
在高温蠕变影响下对叶盘结构进行热-结构耦合分析；
采用拉丁超立方抽样技术抽取一定数量样本点构建叶盘高温蠕变可靠性分析的双重响应面法数学模型；
采用双重响应面法对叶盘进行高温蠕变可靠性的分析；
对双重响应面法进行有效性验证。
2.根据权利要求1所述的一种计算航空发动机叶盘高温蠕变可靠性的双重响应面法，所述的步骤a中，根据蠕变实验数据确定蠕变特性参数，在有限元软件中对叶盘结构进行四面体网格划分。
3.根据权利要求1所述的一种计算航空发动机叶盘高温蠕变可靠性的双重响应面法，所述的步骤b中，根据发动机叶盘实际工况，确定影响叶盘高温蠕变可靠性的外部载荷因素和本身结构性能参数。
4.根据权利要求1所述的一种计算航空发动机叶盘高温蠕变可靠性的双重响应面法，所述的步骤c中，热分析是通过热传导将高温燃气的热量传递叶盘结构上，利用能量守恒方程对其进行热计算；结构分析是通过插值方法将热分析结果信息传递到叶盘结构，采用有限元法进行运算，而分析结果则是运用有限元的基本方程计算获得。
5.根据权利要求1所述的一种计算航空发动机叶盘高温蠕变可靠性的双重响应面法，所述的步骤d中，考虑材料属性的非线性和载荷的动态性，在叶盘总体应力和应变出现位置利用拉丁超立方抽样技术对随机输入变量进行小批量的抽样，根据抽样点计算出相应的输出响应，得到拟合方程所需要的数据点，基于最小二乘法通过MATLAB矩阵实验室工具箱对数据进行回归分析建立双重响应面数学模型。
6.根据权利要求1所述的一种计算航空发动机叶盘高温蠕变可靠性的双重响应面法，所述的步骤e中，采用双重响应面法对叶盘进行高温蠕变可靠性分析，即采用MATLAB编写可靠性计算的程序并对双重响应面法数学模型进行高温蠕变可靠性的计算。
7.根据权利要求1所述的一种计算航空发动机叶盘高温蠕变可靠性的双重响应面法，所述的步骤f中，对双重响应面法进行有效性性验证，即在相同的计算条件下，以公认的可靠性计算方法蒙特卡罗法为基准，和响应面法相对比。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101104898A (zh) * 2007-06-19 2008-01-16 中国科学院金属研究所 一种高热强性、高热稳定性的高温钛合金
CN105404756A (zh) * 2015-12-17 2016-03-16 北京航空航天大学 一种涡轮叶盘结构寿命可靠性设计方法
CN106485032A (zh) * 2016-11-08 2017-03-08 哈尔滨理工大学 一种计算叶盘振动可靠性的双重极值响应面法

Patent Citations (3)

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