CN108229084A - 一种动力涡轮轴结构强度可靠性设计方法 - Google Patents

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胡殿印
齐泽文
张斌
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Abstract

本发明涉及一种动力涡轮轴结构强度可靠性设计方法，确定动力涡轮轴结构的初始方案，确定结构的几何形状；获取结构的确定性载荷，进行详细的三维应力/应变分析，将确定性设计准则作为优化约束条件，若不满足，则返回设计支持；分析影响动力涡轮轴结构的随机因素及其分布特征，确定易失效考核部位，计算获得考核部位的强度可靠性，结合强度概率准则，对强度可靠性分析结果进行评估，如强度可靠性结果不满足准则要求，则返回；对动力涡轮轴所有轴承承力点处的最大应力风险水平进行组合风险评估，计算动力涡轮轴结构的整体失效概率；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；循环执行整个过程。

Description

一种动力涡轮轴结构强度可靠性设计方法
技术领域
本发明是一种针对航空发动机动力涡轮轴结构的强度可靠性设计方法，它是一种能够考虑材料、几何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)。目前，现役和在役发动机的结构重(性能不过关)且不保证可靠。究其原因，在设计过程中，结构某些部位进行了偏保守的设计，会导致其它部位偏于危险，且危险不可控。这主要是由于未考虑设计输入随机性、未考虑寿命可靠性和强度可靠性设计造成的。
传统的强度设计常采用分散系数来反映结构的分散度，为保证安全，目前给定的分散系数偏大，造成结构冗余，给减重带来挑战。因此，动力涡轮轴结构强度的可靠性设计是高功重比发动机必须采用的手段之一。
目前传统动力涡轮轴结构设计方法主要是以确定性设计为主，并结合部分实验内容，难以准确给出结构的实际强度，量化结构的失效风险。
发明内容
本发明技术解决方案：克服现有技术的不足，提供一种动力涡轮轴结构强度可靠性设计方法，能够给出考虑多个承力点的组合风险评估，量化结构的失效风险。
本发明技术解决方案：一种动力涡轮轴结构强度可靠性设计方法，概括起来，主要包括：初始方案设计、确定性详细设计、失效部位的强度可靠性设计、组合风险评估和设计决策五个部分。强度可靠性设计是考虑了可能引起动力涡轮轴结构破坏的多承力点的强度可靠性设计，并考虑载荷(包括温度、转速)、材料和几何尺寸等随机因素造成的应力分散性；将动力涡轮轴多承力点的组合风险和动力涡轮轴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动力涡轮轴结构高性能和高可靠性的双重指标。
实现步骤如下：
(1)初始动力涡轮轴结构方案设计：依据传统的强度分析方法设计确定动力涡轮轴结构的初始方案，同时确定动力涡轮轴结构的几何形状，并计算得到初始方案的重量，为后面的设计决策提供数据依据；
(2)确定性详细设计：针对动力涡轮轴选取的材料，通过材料性能试验或材料数据手册，获取该材料必须的材料属性，必须的材料属性包括弹性模量、泊松比、疲劳寿命；通过传热分析或实际测量，获取动力涡轮轴结构的温度谱；通过外场发动机工作数据统计，获得发动机的转速谱，然后结合温度谱和转速谱这两种载荷谱获取动力涡轮轴结构工作时最危险的温度场和离心载荷，得到动力涡轮轴结构三维应力和应变分析所需的确定性载荷；以初始动力涡轮轴结构方案设计为基础，以选取的材料数量和确定性载荷为输入条件，进行动力涡轮轴结构的详细三维应力/应变分析分析，得到动力涡轮轴结构的应变、应力、位移的分布场；将动力涡轮轴结构确定性设计准则作为优化约束条件，依据确定性设计准则中对动力涡轮轴结构各考核部位应力、应变、变形量等指标值的具体要求，判断分析结果是否满足；若不满足确定性设计准则要求，则返回设计支持，以各环节分析结果、专家意见等信息作为支持查找原因，修改动力涡轮轴结构的几何形状，直到满足确定性设计准则为止；
(3)考虑多承力点的强度可靠性设计：动力涡轮轴上通常有若干个轴承即有若干个承力点，在确定性详细设计的基础上，分析影响动力涡轮轴结构的几何、载荷、材料的随机因素及其分布特征，建立多个承力点的应力模型；抽样计算得到各承力点处的应力分布，进一步计算各承力点处的可靠性；针对强度概率准则中对各承力点的具体要求，对强度可靠性分析结果进行评估；如结构可靠性结果不满足强度概率准则要求，则返回设计支持，即以分析结果作为支持查找原因，修改动力涡轮轴结构的几何形状；
(4)组合风险评估：基于多承力点的强度可靠性分析结果，对各承力点中的各个失效风险水平进行组合风险评估，计算动力涡轮轴结构的整体失效概率；
(5)设计决策：依据步骤(1)中动力涡轮轴结构设计的初始方案的重量，结合步骤(4)组合风险评估确定的整体失效概率的结果进行设计决策；若重量、强度、寿命、可靠性等技术指标满足要求，则完成设计；否则转入返回设计支持，即以分析结果作为支持查找原因，返回初始结构方案，对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要求。
所述步骤(4)中在进行组合风险评估时，将各失效部位看作串联模型，或结合设计经验采用权重系数法，来计算动力涡轮轴结构的整体失效概率，串联模型可靠度计算公式如下：
P[Fi]为动力涡轮轴上第i个承力点的失效概率(i＝1,2,···；i为承力点的个数)。N为承力点的个数。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明动力涡轮轴结构强度可靠性设计方法，与传统动力涡轮轴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，分析了动力涡轮轴上的所有承力点，量化了动力涡轮轴结构的失效风险，最后基于强度可靠性分析结果，对动力涡轮轴结构进行优化。
附图说明
图1为本发明的动力涡轮轴结构强度可靠性设计方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明动力涡轮轴结构强度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，结合动力涡轮轴结构强度可靠性准则，本发明提的动力涡轮轴结构强度可靠性设计方法，其流程见图1。
(1)初始动力涡轮轴结构方案设计：依据传统的强度分析方法设计确定动力涡轮轴结构的初始方案，同时确定动力涡轮轴结构的几何形状，并计算得到初始方案的重量，为后面的设计决策提供数据依据；
(2)确定性详细设计：针对动力涡轮轴选取的材料，通过材料性能试验或材料数据手册，获取该材料必须的材料属性，必须的材料属性包括弹性模量、泊松比、疲劳寿命；通过传热分析或实际测量，获取动力涡轮轴结构的温度谱；通过外场发动机工作数据统计，获得发动机的转速谱，然后结合温度谱和转速谱这两种载荷谱获取动力涡轮轴结构工作时最危险的温度场和离心载荷，得到动力涡轮轴结构三维应力和应变分析所需的确定性载荷；以初始动力涡轮轴结构方案设计为基础，以选取的材料数量和确定性载荷为输入条件，进行动力涡轮轴结构的详细三维应力应变分析，得到动力涡轮轴结构的应变、应力、位移的分布场；将动力涡轮轴结构确定性设计准则作为优化约束条件，依据确定性设计准则中对动力涡轮轴结构各考核部位应力、应变、变形量等指标值的具体要求，判断分析结果是否满足；若不满足确定性设计准则要求，则返回设计支持，以各环节分析结果等信息作为支持查找原因，修改动力涡轮轴结构的几何形状，直到满足确定性设计准则为止；
(3)考虑多承力点的强度可靠性设计：在确定性详细设计的基础上，分析影响动力涡轮轴结构的几何、载荷、材料的随机因素及其分布特征，并将分布特征作为输入值；确定动力涡轮轴上所有承力点作为考核部位，对各个考核部位进行单独分析，取各考核部位的考核应力作为输出值；采用蒙特卡罗法等抽样计算方法，计算得到动力涡轮轴结构各个考核部位考核应力的应力分布，获得结构应力累积概率密度曲线；根据已有材料数据，获取动力涡轮轴结构材料疲劳极限累积概率密度曲线；结合结构应力累积概率密度曲线和疲劳极限累积概率密度曲线，计算得到结构应力-可靠度分布曲线，进一步计算考核部位的强度可靠性。针对强度概率准则中对各失效部位的具体要求，对强度可靠性分析结果进行评估。如结构可靠性结果不满足强度概率准则要求，则返回设计支持，以各环节分析结果等信息作为支持查找原因，修改动力涡轮轴结构的几何形状；
(4)组合风险评估：基于多承力点的强度可靠性分析结果，将各失效部位看作串联模型，或结合设计经验采用权重系数法，对各失效部位中的各个失效部位的风险水平进行组合风险评估，计算动力涡轮轴结构的整体失效概率。
串联模型可靠度计算公式如下：
P[Fi]为动力涡轮轴上第i个承力点的失效概率(i＝1,2,···；N为承力点的个数)。
(5)设计决策：依据步骤(1)中动力涡轮轴结构设计的重量、强度、可靠性各项技术指标，结合步骤(4)组合风险评估确定的整体失效概率的结果和动力涡轮轴结构的重量进行设计决策，若重量、强度、寿命、可靠性等各项技术指标满足要求，则完成设计；否则转入返回设计支持，以各环节分析结果信息作为支持查找原因，返回初始结构方案对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要求。
提供以上实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)

1.一种动力涡轮轴结构强度可靠性设计方法，其特征在于：实现步骤如下：
(1)依据传统强度分析方法设计确定动力涡轮轴结构的初始方案，同时确定动力涡轮轴结构的几何形状，根据所选材料计算得到在初始方案下的动力涡轮轴重量，完成动力涡轮轴结构初始方案设计，为后面的设计决策提供数据依据；
(2)针对动力涡轮轴选取的材料，通过材料性能试验或材料数据手册，获取该材料必须的材料属性，所述必须的材料属性包括弹性模量、泊松比和疲劳寿命；通过传热分析或实际测量，获取动力涡轮轴结构的温度谱；通过外场发动机工作数据统计，获得发动机的转速谱，然后结合温度谱和转速谱这两种载荷谱获取动力涡轮轴结构工作时最危险的温度场和离心载荷，得到动力涡轮轴结构三维应力和应变分析所需的确定性载荷；以动力涡轮轴的初始方案设计为基础，以选取的材料数量和确定性载荷为输入条件，进行动力涡轮轴结构的三维应力和应变分析，得到动力涡轮轴结构的应变、应力和位移的分布场；将动力涡轮轴结构的确定性设计准则作为优化约束条件，依据确定性设计准则中对动力涡轮轴结构的各考核部位的应力、应变、由位移得到的变形量指标值的具体要求，判断应力、应变、变形量是否满足；若不满足动力涡轮轴结构的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，修改动力涡轮轴结构的几何形状，直到满足动力涡轮轴结构的确定性设计准则为止，完成确定性详细设计；
(3)动力涡轮轴上有若干个轴承即有若干个承力点，在确定性详细设计的基础上，确定影响动力涡轮轴结构的几何、载荷、材料的随机因素及分布特征，建立多个承力点的应力模型；对多个承力点的应力模型进行抽样计算并得到各承力点处的应力分布，进一步计算各承力点处的可靠性；针对强度概率准则中对各承力点的具体要求，对强度可靠性分析结果进行评估；如果结构可靠性结果不满足强度概率准则要求，则返回设计支持，即以分析结果作为支持查找原因，修改动力涡轮轴结构的几何形状；完成多承力点的强度可靠性分析结果；
(4)基于多承力点的强度可靠性分析结果，对各承力点中的各个失效风险水平进行基于强度可靠性的组合风险评估，计算动力涡轮轴结构的整体失效概率；
(5)依据步骤(1)中动力涡轮轴结构设计的初始方案的重量，结合步骤(4)组合风险评估确定的整体失效概率的结果进行设计决策；若强度可靠性技术指标满足要求，则完成设计；否则转入返回设计支持，即以分析结果作为支持查找原因，返回初始动力涡轮轴结构方案，对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要求。
2.根据权利要求1所述的一种动力涡轮轴结构强度可靠性设计方法，其特征在于：所述步骤(4)中，计算动力涡轮轴结构的整体失效概率时，将各承力点看作串联模型，或结合设计经验采用权重系数法，采用串联模型的方式来计算强度可靠度，串联模型的强度计算公式如下：
P[Fi]为动力涡轮轴上第i个承力点的失效概率，N为承力点的个数。
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