航空發(fā)動機關(guān)鍵轉(zhuǎn)動部件疲勞壽命預(yù)測與可靠性分析方法.pdf

1、作為提高結(jié)構(gòu)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(xué)術(shù)界的關(guān)注,亦是可靠性領(lǐng)域的熱點和前沿課題。航空發(fā)動機大型裝備日趨復(fù)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(yīng)用疲勞可靠性理論與方法解決航空發(fā)動機關(guān)鍵轉(zhuǎn)動部件在抗疲勞設(shè)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?；谄诳煽啃岳碚撆c方法設(shè)計出的關(guān)鍵轉(zhuǎn)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(yīng)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(guān)鍵轉(zhuǎn)動部件(如渦輪盤、渦輪轉(zhuǎn)子葉片及壓氣機轉(zhuǎn)子葉片)疲勞壽命的影響,本文運用Copula相關(guān)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(yù)測與疲勞可靠性分析,以完善和拓展航空發(fā)動機關(guān)鍵轉(zhuǎn)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(nèi)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(guān)性并進行了壓氣機與渦輪轉(zhuǎn)子葉片的模糊概率權(quán)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(guān)的情況,用Copula函數(shù)進行失效模式相關(guān)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(guān)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(jié)果表明,該方法能幫助設(shè)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(yù)測模型,考慮隱式或顯式壽命預(yù)測模型中各隨機變量的不確定性對構(gòu)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(shè)計和保障產(chǎn)品的高可靠性起著至關(guān)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(shè),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(fù)銳疲勞裂紋擴展速率模型(Generalized Passivation-Lancet Model for Long Fatigue Crack Propagation Rate, GPLFCPR),并應(yīng)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(yù)測?？紤]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(jié)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(yù)測模型并進行了疲勞累積損傷分析?？紤]循環(huán)應(yīng)力幅和平均應(yīng)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(jié)合,對二者與疲勞壽