航空發(fā)動機關鍵轉動部件疲勞壽命預測與可靠性分析方法.pdf

1、作為提高結構可靠性的有力工具,疲勞可靠性理論與方法長期備受工程界和學術界的關注,亦是可靠性領域的熱點和前沿課題。航空發(fā)動機大型裝備日趨復雜,其疲勞失效日益增加?？紤]工程中普遍存在的大量不確定性因素,迫切需要應用疲勞可靠性理論與方法解決航空發(fā)動機關鍵轉動部件在抗疲勞設計和疲勞分析中的各種不確定性問題,從而揭示不確定性因素對其疲勞壽命的影響規(guī)律。基于疲勞可靠性理論與方法設計出的關鍵轉動部件具有可靠性高、成本低、魯棒性好等優(yōu)點,為保障航空發(fā)動

2、機安全可靠地運行提供了切實可行的依據(jù)。
　　工程實際中的不確定性分為隨機不確定性和認知不確定性。目前,考慮隨機不確定性的疲勞可靠性理論與方法已有較多研究,相應的理論體系基本建立,但考慮認知不確定性的疲勞可靠性理論與方法研究相對較少,仍有許多難點問題亟待研究和解決。為掌握認知不確定性和隨機不確定性對航空發(fā)動機關鍵轉動部件(如渦輪盤、渦輪轉子葉片及壓氣機轉子葉片)疲勞壽命的影響,本文運用Copula相關性理論、模糊風險優(yōu)先數(shù)(Fuzz

3、y Risk Priority Number, FRPN)方法、鞍點近似(Saddlepoint Approximation,SPA)方法、最大熵方法和疲勞累積損傷理論對其進行疲勞壽命預測與疲勞可靠性分析,以完善和拓展航空發(fā)動機關鍵轉動部件現(xiàn)有疲勞可靠性理論方法和體系。
　　本文的主要研究內容及成果體現(xiàn)在以下幾個方面:
　　(1)考慮多失效模式之間相關性并進行了壓氣機與渦輪轉子葉片的模糊概率權重風險優(yōu)先數(shù)評估。在故障模式、影

4、響和危害性分析(Failure Mode, Effects and Criticality Analysis, FMECA)的風險優(yōu)先數(shù)評估方法中,針對風險優(yōu)先數(shù)評估中存在多失效模式且相關的情況,用Copula函數(shù)進行失效模式相關性建模?？紤]風險分析信息中存在的認知不確定性,整合FMECA、故障樹分析(Fault Tree Analysis, FTA)、模糊集理論和Copula理論的各自優(yōu)點,得到考慮相關性和認知不確定性后的失效風險優(yōu)先

5、數(shù)的排序。研究結果表明,該方法能幫助設計者理清失效分析思路并篩選出風險較大的失效模式。
　　(2)提出了基于SPA法的渦輪盤合金疲勞壽命可靠性分析方法。建立了渦輪盤合金低周疲勞壽命預測模型,考慮隱式或顯式壽命預測模型中各隨機變量的不確定性對構件疲勞壽命的影響,用SPA法對航空發(fā)動機渦輪盤GH4133合金進行了疲勞可靠性分析,這對選材、設計和保障產(chǎn)品的高可靠性起著至關重要作用。算例分析顯示,SPA法適合隨機變量較多和性能函數(shù)非線性程

6、度較高的情況,該方法成本低、魯棒性高,不必對輸入隨機變量進行分布假設,只需少量的樣本便可進行可靠性分析,更符合工程實際。
　　(3)提出了基于最大熵方法的疲勞裂紋擴展壽命可靠性分析方法。基于裂紋閉合原理,建立了改進的廣義鈍化復銳疲勞裂紋擴展速率模型(Generalized Passivation-Lancet Model for Long Fatigue Crack Propagation Rate, GPLFCPR),并應用該模

7、型對航空發(fā)動機渦輪盤直接時效GH4169合金進行了裂紋擴展壽命預測。考慮裂紋擴展壽命模型中變量的隨機不確定性,運用最大熵方法進行了疲勞裂紋擴展壽命可靠性分析。仿真結果表明,最大熵方法適合于渦輪盤材料疲勞裂紋擴展壽命的可靠性分析,精度和效率較高。
　　(4)建立了渦輪盤Morrow型廣義曲面疲勞壽命預測模型并進行了疲勞累積損傷分析。考慮循環(huán)應力幅和平均應力的影響,將三參數(shù)冪函數(shù)循環(huán)曲線和Morrow等壽命曲線二者結合,對二者與疲勞壽