CN116432311A - 一种不确定参数复合材料整体叶环振动特性计算方法 - Google Patents

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李佳
刘一雄
吴云伍
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Abstract

本申请属于航空发动机整体叶环领域，特别涉及一种不确定参数复合材料整体叶环振动特性计算方法。步骤一、确定复合材料整体叶环的复合材料体积占比；步骤二、对所述复合材料整体叶环进行复合材料性能实测，得到复合材料弹性模量数据；步骤三、根据所述复合材料弹性模量数据，确定复合材料变异系数；步骤四、根据所述复合材料变异系数计算出复合材料整体叶环振动特性。本申请的不确定参数复合材料整体叶环振动特性计算方法，能够高效计算具有不确定性复合材料整体叶环频率的概率分布，进而精确开展整体叶环的避振设计，从而制定复合材料整体叶环结构频率分散度标准，为复合材料整体叶环结构的避振提供支撑。

Description

一种不确定参数复合材料整体叶环振动特性计算方法
技术领域
本申请属于航空发动机整体叶环领域，特别涉及一种不确定参数复合材料整体叶环振动特性计算方法。
背景技术
复合材料整体叶环是使用连续单根碳化硅长丝增强的钛合金金属基复合材料制造的，单长丝增强的复合材料在高温下在沿纤维方向具有很高的比强度和比刚度。于是为适应高性能、高推重比发动机，复合材料整体叶环用于新一代压气机结构之中。通常在复合材料整体叶环结构的强度设计之中使用确定的结构参数、载荷得到确定的分析结果。然而在实际的工程中，由于连续纤维增强的钛基复合材料的制造、工艺等各方面因素的影响，使得材料的实测性能与预期设计性能具有一定的偏差，从而进一步导致整体叶环结构与所分析模型之间不可避免地存在一定的差异，这些不确定性可能会对发动机结构的安全性、完整性产生影响。
对于不确定性问题，国内外都开展了相应的研究，主要分为模糊方法、区间方法和概率方法。模糊方法采用隶属度函数来表征差异，其缺点是对于计算量较大的动力学问题很难获取不确定参数的表征函数。区间方法可以计算不确定参数区间范围，其计算时需要给出不确定参数的上下界但存在放大区间的风险。概率方法主要包括蒙特卡洛法和摄动法，蒙特卡洛法需要较大的计算成本但稳定性好，通常用于验证其他方法。摄动法是通过泰勒展开构造递推方程、求解构造的递推方程得到不确定参数的概率分布。对于不确定性较低的结构使用摄动法具有较高的计算效率和精度。此外，现有的不确定方法通常需要较为复杂的算法研究和理论公式推导，研究周期长且存在较大的计算量，在实际使用时存在一些限制，不利于实际工程设计中的使用。
因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
发明内容
本申请的目的是提供了一种不确定参数复合材料整体叶环振动特性计算方法，以解决现有技术存在的至少一个问题。
本申请的技术方案是：
一种不确定参数复合材料整体叶环振动特性计算方法，包括：
步骤一、确定复合材料整体叶环的复合材料体积占比；
步骤二、对所述复合材料整体叶环进行复合材料性能实测，得到复合材料弹性模量数据；
步骤三、根据所述复合材料弹性模量数据，确定复合材料变异系数；
步骤四、根据所述复合材料变异系数计算出复合材料整体叶环振动特性。
在本申请的至少一个实施例中，步骤二中，通过拉伸试验进行复合材料性能实测。
在本申请的至少一个实施例中，步骤三中，所述根据所述复合材料弹性模量数据，确定复合材料变异系数，包括：
计算所述复合材料弹性模量数据的均值μ以及方差σ，所述复合材料变异系数为：
Cv＝μ/σ
其中，Cv为复合材料变异系数。
在本申请的至少一个实施例中，步骤四中，所述根据所述复合材料变异系数计算出复合材料整体叶环振动特性，包括：
基于所述复合材料变异系数构造摄动项，对所述复合材料整体叶环采用有限元法进行3次有限元确定性计算，得到复合材料整体叶环频率的概率分布。
在本申请的至少一个实施例中，步骤四中，所述根据所述复合材料变异系数计算出复合材料整体叶环振动特性，还包括：
获取3组复合材料整体叶环振动特性的试验结果；
将复合材料整体叶环振动特性的计算结果与3组试验结果进行对比，若试验结果在计算结果的±3σ概率范围内，则验证得到具有不确定材料参数的复合材料整体叶环频率的概率分布。
在本申请的至少一个实施例中，还包括步骤五、通过频率分散度绘制坎贝尔图进行所述复合材料整体叶环的避振设计。
在本申请的至少一个实施例中，还包括步骤六、根据所述复合材料整体叶环振动特性的计算结果以及试验结果，形成复合材料整体叶环频率分散度标准。
发明至少存在以下有益技术效果：
本申请的不确定参数复合材料整体叶环振动特性计算方法，能够高效计算具有不确定性复合材料整体叶环频率的概率分布，进而精确开展整体叶环的避振设计，从而制定复合材料整体叶环结构频率分散度标准，为复合材料整体叶环结构的避振提供支撑。
附图说明
图1是本申请一个实施方式的不确定参数复合材料整体叶环振动特性计算方法流程图；
图2是本申请一个实施方式的复合材料整体叶环示意图；
图3是本申请一个实施方式的纤维加强环结构剖视图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
下面结合附图1至图3对本申请做进一步详细说明。
本申请提供了一种不确定参数复合材料整体叶环振动特性计算方法，包括以下步骤：
步骤一、确定复合材料整体叶环的复合材料体积占比；
步骤二、对复合材料整体叶环进行复合材料性能实测，得到复合材料弹性模量数据；
步骤三、根据复合材料弹性模量数据，确定复合材料变异系数；
步骤四、根据复合材料变异系数计算出复合材料整体叶环振动特性。
本申请的不确定参数复合材料整体叶环振动特性计算方法，可以根据现有的理论公式计算得到材料性能参数。在确定复合材料整体叶环的复合材料体积占比后，通过复合材料整体叶环的拉伸试验进行复合材料性能实测，测量出复合材料弹性模量数据。
在本申请的优选实施方式中，根据实测数据确定复合材料变异系数，复合材料变异系数表征参数的离散程度，复合材料的性能数据为不确定参数，根据复合材料弹性模量数据的均值μ以及方差σ，得到不确定参数即复合材料变异系数为：
Cv＝μ/σ
其中，Cv为复合材料变异系数。
在本申请的优选实施方式中，基于改进的摄动法计算复合材料整体叶环振动特性，改进的摄动法计算不确定问题更加快速，不需要通过控制方程建立递推方程、避免了对随机参数矩阵的求导，将不确定问题计算转化成为确定性问题计算，具有较高的效率。本实施例中，根据复合材料变异系数计算出复合材料整体叶环振动特性，包括：
基于复合材料变异系数构造摄动项，对复合材料整体叶环采用有限元法进行3次有限元确定性计算，得到复合材料整体叶环频率的概率分布。
进一步，本实施例中，还包括：
获取3组复合材料整体叶环振动特性的试验结果；
将复合材料整体叶环振动特性的计算结果与3组试验结果进行对比，若试验结果在计算结果的±3σ概率范围内，则验证得到具有不确定材料参数的复合材料整体叶环频率的概率分布。
本申请的不确定参数复合材料整体叶环振动特性计算方法，还包括步骤五、通过频率分散度绘制坎贝尔图进行复合材料整体叶环的避振设计。还包括步骤六、根据复合材料整体叶环振动特性的计算结果以及试验结果，形成复合材料整体叶环频率分散度标准。本实施例中，通过频率分散度绘制坎贝尔图进行整体叶环的避振设计，准确给出共振区间进而进行避振，如图2-3所示，采用碳化硅限位加强环进行避振。最后，通过计算得到的频率高斯分布结果与试验频率结果，形成复合材料整体叶环频率分散度标准。
本申请的不确定参数复合材料整体叶环振动特性计算方法，仅通过较少的计算次数就能够得到具有不确定材料参数的复合材料整体叶环的振动特性的频率分布，实用性强，效率高，计算成本低。以此制定复合材料叶环结构频率分散度标准，可以为含复合材料整体叶环结构发动机的避振设计提供支撑。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种不确定参数复合材料整体叶环振动特性计算方法，其特征在于，包括：
步骤一、确定复合材料整体叶环的复合材料体积占比；
步骤二、对所述复合材料整体叶环进行复合材料性能实测，得到复合材料弹性模量数据；
步骤三、根据所述复合材料弹性模量数据，确定复合材料变异系数；
步骤四、根据所述复合材料变异系数计算出复合材料整体叶环振动特性。
2.根据权利要求1所述的不确定参数复合材料整体叶环振动特性计算方法，其特征在于，步骤二中，通过拉伸试验进行复合材料性能实测。
3.根据权利要求2所述的不确定参数复合材料整体叶环振动特性计算方法，其特征在于，步骤三中，所述根据所述复合材料弹性模量数据，确定复合材料变异系数，包括：
计算所述复合材料弹性模量数据的均值μ以及方差σ，所述复合材料变异系数为：
Cv＝μ/σ
其中，Cv为复合材料变异系数。
4.根据权利要求3所述的不确定参数复合材料整体叶环振动特性计算方法，其特征在于，步骤四中，所述根据所述复合材料变异系数计算出复合材料整体叶环振动特性，包括：
基于所述复合材料变异系数构造摄动项，对所述复合材料整体叶环采用有限元法进行3次有限元确定性计算，得到复合材料整体叶环频率的概率分布。
5.根据权利要求4所述的不确定参数复合材料整体叶环振动特性计算方法，其特征在于，步骤四中，所述根据所述复合材料变异系数计算出复合材料整体叶环振动特性，还包括：
获取3组复合材料整体叶环振动特性的试验结果；
将复合材料整体叶环振动特性的计算结果与3组试验结果进行对比，若试验结果在计算结果的±3σ概率范围内，则验证得到具有不确定材料参数的复合材料整体叶环频率的概率分布。
6.根据权利要求5所述的不确定参数复合材料整体叶环振动特性计算方法，其特征在于，还包括步骤五、通过频率分散度绘制坎贝尔图进行所述复合材料整体叶环的避振设计。
7.根据权利要求6所述的不确定参数复合材料整体叶环振动特性计算方法，其特征在于，还包括步骤六、根据所述复合材料整体叶环振动特性的计算结果以及试验结果，形成复合材料整体叶环频率分散度标准。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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