Авионосовите двигатели са типични сложни инженерни системи с мултидисциплинарно кръстосано рязане и многокомпонентно силно свързване. Те работят при висока температура, високо налягане, висока скорост и многофейлно натоварване/среда и трябва да отговарят на изключително високи изисквания за употреба като висока тяга, леко тегло, дълъг живот и висока надеждност. Те са екстремни продукти с големи затруднения в развитието. Като основен компонент на двигателите на самолетите, структурната цялост и надеждността на структурата на ротора са най -слабите връзки в дизайна на двигателя на самолета и пречка, ограничаваща развитието на двигателя.
От една страна, структурната система е подложена на сурови и сложни аеродинамични, механични и топлинни натоварвания, докато механиката (газ-точна) взаимодейства и ограничава с материали, процеси и други дисциплини; От друга страна, структурният живот показва голяма дисперсия, докато безопасният полет изисква ниска вероятност за отказ. По това време традиционната детерминирана технология за дизайн е изправена пред много предизвикателства. Вероятният дизайн, като метод за фин дизайн, може да определи количествено рисковете, да намали теглото и да намали разходите, като същевременно отговаря на изискванията за надеждност. Това е една от най -обещаващите ключови технологии за решаване на препятствието за развитие на двигателя на Advanced Aircraft. Разработка на конструкционния дизайн на двигателя
Структурният дизайн на AeroEngine премина през процеса на разработка на статичен дизайн на силата, дизайн на безопасен живот, детерминиран дизайн на толерантност към щети и структурен вероятностно проектиране.
Основната отправна точка на статичния дизайн на якостта е, че конструкцията не се счупва при дадения дизайн натоварване; След натоварването на употреба няма видима постоянна деформация след разтоварване. Дълго време в миналото, поради малкото натоварване на двигателя, нивото на напрежение на конструкцията беше много ниско, а изискванията за структурния живот не бяха високи и дизайнът на статичната сила може да отговаря на изискванията за проектиране.
През 1954 г. британският "комета" Jet Airline избухна и се блъсна в морето. Причината за произшествието беше увреждането на счупването, причинено от ефекта на умората на металната конструкция на фюзелажа на самолета. Това показва, че проектирането на структурни части според статичната сила не може да гарантира тяхната безопасност при употреба и проблемът с безопасния живот трябва да се вземе предвид в структурния дизайн. След инцидента методът за живот на безопасността е приет в структурния дизайн на двигателите на самолети.
Предпоставката на дизайна на безопасния живот е да се приеме, че структурата е непрекъснато равномерно тяло без дефекти. Тъй като материалът има определена дисперсия, структурният дизайн в инженерството често определя средния живот на структурата чрез експерименти и съчетава опит, за да даде по -голям коефициент на дисперсия и след това получава допустимия живот на структурата.
Британският стандарт на Министерството на отбраната (Def Stan 00-971) изисква кривата с надеждност 99,87% (т.е. -3 σ) да бъде взета като SN крива, съответстваща на безопасния живот. The American Aviation Turbojet and Turbofan Engine General Specification (MIL-E-5007D) stipulates that the typical structure of the engine adopts a safe life design, and the allowable strength and life characteristics of the material are based on -3σ, and the corresponding confidence level is 95%, see Figure 1. In terms of civil aircraft, the airworthiness clause FAR33.14 issued by the Федералната авиационна администрация (FAA) на Съединените щати изисква животът на роторните части като компресори и турбинни дискове да се определя по метода на проектиране на безопасен живот; Правилата за летателността на Airworthiness jar-e на Европейския съвместен авиационен орган също предвиждат, че животът на части на ротора на двигателя трябва да се определя по метода на безопасен живот.
Методът за проектиране на безопасен живот отчита дисперсията на механичните свойства на структурните материали на двигателя и установява висока надеждност от вероятностна перспектива, за да се гарантира безопасността на конструкцията по време на обслужването. Действителната структура обаче трябва да съдържа първоначални дефекти като включвания, дупки (пукнатини) и кухини. Следователно методът за проектиране на безопасен живот не гарантира безопасността и надеждността на структурата;
В допълнение, дизайнът на безопасен живот е много консервативен метод на проектиране. При сегашното 95% ниво на доверие и 99,87% надеждност е възможно само една от 1, 000 структурите да има определените пукнатини, а останалите 999 също ще се считат за достигане на живота на умора и се оттеглят от службата, което води до големи отпадъци. Изчислено е, че повече от 80% от дисковете, проектирани по метода на безопасен живот, все още имат живот 10 пъти или повече след бракуване, така че е необходимо да се разработят по -икономични методи за проектиране и оценка.
Дипломистичният дизайн на толерантността към щетите може да реши проблемите с безопасността и икономиката в дизайна на структурата на двигателя. Този метод е различен от метода за проектиране на безопасен живот. Предполага се, че в материала има дефекти или малки пукнатини и те постепенно ще се разширяват при действието на натоварванията на умора, което в крайна сметка ще доведе до структурна повреда. Дипломистичният дизайн на толерантността към щетите определя цикъла на поддръжка и максимално допустимия размер на пукнатината на конструкцията въз основа на условията на използване, свойствата на материала и изискванията за поддръжка на структурата, контролира дефектите на структурния материал и удължаването на щетите в разумен диапазон [7] и ефективно подобрява икономическата ефективност на поддържането на структурата на двигателя.
Конструкционният конструкция на целостта на ВВС на ВВС (MIL-STD -1783) ясно се посочва, че дизайнът, тестването и контрола на толерантността трябва да се извършват върху ключови части за счупване на двигателя, за да се определи цикълът на поддръжка на конструкцията. Въпреки това, методът за проектиране на детерминирана толерантност към щети е трудно да се разгледа точно въздействието на различни случайни фактори върху дисперсията на живота и не може точно да се предвиди вероятността за отказ на структурата и чувствителността на входните параметри.
Критериите, законите и методите, изследвани и установени в горния процес на проектиране на структурата на двигателя, са всички детерминистични, тоест свойствата на материалите, производствените процеси, използването на мисията и други параметри използват фиксирани стойности, които не могат точно да прогнозират живота на умората на структурата. Ето защо е трудно да се оптимизира и балансира структурната тежест, живот на живота и критериите за проектиране и е невъзможно да се даде индекс на количествена надеждност. Изискването за живот с надеждност е видна характеристика на съвременния дизайн на двигателя, а структурният вероятностно проектиране е важен метод на проектиране за осигуряване на структурна надеждност.
Структурният вероятностният метод на проектиране вярва, че действителното външно натоварване, действащо върху конструкцията и действителния капацитет на лагера на конструкцията, са вероятни количества. Невъзможно е да се дадат точни стойности по време на дизайна. Те се наричат случайни променливи или случайни процеси, които се подчиняват на определено разпределение. Приемането на това като отправна точка за структурния дизайн [10] може по -добре да съответства на обективната реалност. In the research of the Integrated High Performance Turbine Engine Technology Program (IHPTET), the United States proposed a probabilistic design method and established a probabilistic design system (PDS) for the rotor system, which reduced the structural design reserve to an acceptable reliability level and ensured a relative balance between safety and working capacity, as shown in Figure 2. Following the IHPTET program, the Multipurpose Economical Advanced Turbine Engine Program (VAATE) launched the Вероятна умора с висок цикъл на остриета като една от ключовите технологии. Програмата за структурна цялост на двигателя на САЩ (MIL-HDBK -1783 B) също посочи, че използването на вероятностния марж на дизайна вместо традиционния фактор на безопасност или детерминираният марж може по-точно да представлява промените в реакцията на компонентите. FAA на Съединените щати насърчи прилагането на структурен вероятностно проектиране в областта на гражданската авиация, заменяйки FAR33.14 с клаузата за летателна годност FAR33.70, тоест, вероятностният дизайн на толеранс на щети се извършва за определящи живота на двигателя и нивото на риск от повреда се определя чрез сравняване на целевия риск от проектиране.
За да се отговори на изискванията за производителност на модерни двигатели на самолети, все повече и повече нови материали като прахови сплави, интерметални съединения, керамични материали, композитни материали и др. Постоянно се появяват. Тези материали имат очевидни подобрения спрямо традиционните метални сплави в определени свойства като сила, стрес, плътност и т.н., но има много несигурни фактори и нови режими на отказ в техните свойства на материала, а използването на детерминирани методи за проектиране ще доведе до големи отклонения. Ето защо е по -необходимо да се приемат вероятностни методи за проектиране на типични конструкции на двигатели при нови материали, нови структури и нови процесорни системи. Основни технологии за вероятностно проектиране на типични конструкции на двигатели
1. Вероятностният модел на произволни фактори (1) Натоварване на дисперсионните двигатели, особено военните двигатели, трябва да завършат голям брой полети като круиз, прости каскади, сложни каскади, формации, атака и прихващане, което води до голяма дисперсия на работните натоварвания на структурата на двигателя, като механични товари, аеродимични натоварвания и температурни натоварвания. Създаването на модела на вероятност за натоварване на двигателя трябва да се комбинира с технологията за обработка на спектъра на натоварването и трябва да се проучи принципът на преобразуване на повреди, като спектър на натоварване на двигателя и спектър на структурен товар. Чрез събиране и обработка на спектъра на натоварването на полето на двигателя и спектъра на тестовия спектър се получава законът за вариация на натоварване на типичната структура на двигателя във времето и статистическата теория се използва за установяване на статистическите характеристики на вероятността за натоварване на типичната структура на двигателя.
(2) Материална дисперсия разликите в процеса на подготовка на структурните материали на двигателя водят до дисперсия на параметрите на механичната производителност на материала (като еластичен модел, съотношение на Поасон, крива на напрежение и др.); В същото време, поради сложността на технологията за обработка, материалните свойства на различните части на типичната структура на двигателя също са значително различни. Следователно е необходимо да се комбинират тестовите данни на стандартните материали и характерни симулационни части от различни части на структурата, за да се установи вероятностния модел, потвърден от експерименти.
Например, за да се справи с дисперсията на отношението на материалното циклично напрежение на напрежението, щамът може да бъде разложен в компоненти на еластично деформация и компоненти на пластмасовия деформация и линейни уравнения на компонентите на еластичния деформация, компонентите на пластмасовия щам и напрежението се установяват съответно. Горните уравнения са рандомизирани и моделът на вероятността на цикличното напрежение на напрежението се установява чрез метод на регресия, както е показано на фигура 3. (3) Дисперсията на процеса на дисперсия на процеса се отнася до структурната дисперсия, причинена от случайни фактори като подготовка на материали, методи за обработка и технология за откриване.
Първоначална случайност на дефект. For material preparation methods such as forging, casting, and hot isostatic pressing, the number, position, and size of initial defects such as inclusions, holes, and cavities in the material are all random, as shown in Figure 4. Therefore, it is necessary to develop equivalent damage characterization methods for surface/subsurface/internal defects and establish a defect probability model for typical engine structures in different regions. Геометрично измерение случайност. Геометричните размери на типичните конструкции на двигателя са случайни поради нестабилността на технологията за механична обработка. За тази цел е необходимо да се определят параметрите на ключовите геометрични размери на типичните структури на двигателя чрез анализ на чувствителността и да се проведе статистика върху ключовите геометрични размери, за да се установят техните характеристики на разпределение на вероятностите.
Остатъчна случайност на напрежение. Нестабилността на технологията за обработка като технология за обработка на повърхността на структурата на двигателя (като изстрел на изстрел, лазерно укрепване), технология за обработка на топлината (като твърд разтвор, стареене) и други процеси (като линейно заваряване на триене, заваряване на електронния лъч) води до произволно остатъчно напрежение върху повърхността и вътре в структурата. Моделът на вероятността на остатъчния стрес трябва да се изследва систематично чрез числена симулация, проверка на процесите и математическа статистика.
Случайност на технологията за откриване на дефекти. Различните технологии за откриване водят до случайност в размера и позицията на минималния откриваем дефект. Вероятността за откриване на дефекти (POD) се въвежда, за да се опише тази случайност. Чрез приготвяне на повредени образци с достатъчни видове дефекти, размери и позиции, провеждане на тестове за откриване на дефекти и установяване на математически модел на данните за откриване, кривата на POD на технологията за откриване се получава чрез статистическа обработка.
2. Typical engine structure Typical engine structures (such as turbine blade structures) are subjected to complex alternating loads/environments of gas-heat-solid multi-fields, and their failure modes are mostly composite fatigue failures, such as fatigue-creep, thermomechanical fatigue, high-low cycle composite fatigue, etc. Therefore, the composite fatigue failure probability model of typical engine structures under complex loads/environments Въз основа на експериментите се превърна в ключова технология за вероятностния дизайн на конструкциите на двигателя. Необходимо е да се комбинират внимателно теоретичните изследвания с експериментална проверка, за да се разкрие механизмът на композитния режим на отказ на типичните структури на двигателя при сложни натоварвания/среди и да се разработи съответните композитни методи за прогнозиране на живота на умора. В комбинация с дисперсията на натоварванията, материалите и процесите се установява композитен модел на отказ на умора на типичните конструкции на двигателя, който е проверен от експерименти.
The Structural Strength and Multidisciplinary Optimization Research Group of Beijing University of Aeronautics and Astronautics takes the high-pressure turbine disk of the WP7 engine (made of GH33) as the object to study and develop a set of probability models and design methods for fatigue-creep coupling failure modes of turbine disks that have been verified by experiments, including two damage stages of crack formation and crack propagation, from material Свойства за проектиране на приложения (Фигура 5). 3. Структурна вероятностна технология за анализ на отговора
Вероятният дизайн на типичните двигателни конструкции включва много дисциплини и сложни структури. Директно използването на числени методи за решаване на вероятността/надеждността на структурната повреда ще доведе до твърде дълго време за изчисляване. Следователно установяването на метод за анализ на структурен вероятност е ключова технология за вероятностния дизайн на типичните конструкции на двигателя.
Понастоящем методът на повърхността на реакцията, комбиниран с метода на Монте Карло, често се използва за извършване на анализ на структурна вероятност, а набор от методи за анализ на високоефектив и висока точност и висока точност, подходящи за типични структури на двигателя, са разработени за решаване на проблема с масовото изчисление при структурен анализ на вероятността. Могат да се използват методи за вземане на проби като метод на латински хиперкуб, метод на Quasi-Monte Carlo, латино центроид и важна извадка; Могат да бъдат избрани приблизителни методи за моделиране като невронна мрежа, модел на Kriging и поддържаща векторна машина (Фигура 6).
4. Анализ на чувствителността към случаен фактор
Чрез анализа на чувствителността на случайни фактори, от една страна, могат да се определят основните фактори, влияещи върху дисперсията на структурния живот, осигуряващи основата на дизайна за вероятностния дизайн на типичните конструкции на двигателя; От друга страна, случайни променливи с показатели за ниска чувствителност в конструкционния дизайн на вероятността могат да бъдат обработени в детерминирани параметри, като по този начин се запазват времето за изчисляване и подобряване на ефективността на разтвора; Фокусирането върху дисперсията на основните случайни фактори е по -директно и значително от другите фактори за подобряване на точността на решението на вероятността/надеждността на структурната повреда.
5. Система за проектиране на вероятност на двигателя, насочена към системата на процеса на материала на авиационния двигател на моята страна, създаването на авиационен двигател Типична структура Платформа за проектиране на вероятност с независими права на интелектуална собственост също е ключова технология за проектиране на вероятност за структура на двигателя. Реализирането на вероятностната платформа за конструкция на двигателя изисква голям брой итеративни изчисления. Всяка промяна в геометричния модел по време на процеса на изчисление ще доведе до съответно промените данните на анализа като мрежата и граничните условия. Следователно технологията на свързване между геометричния модел и модела на анализ, автоматичната реконструкция на мрежата и автоматичното натоварване на мрежата са технически затруднения, които трябва да бъдат решени.
For example, the structural strength and multidisciplinary optimization research group of Beihang University uses virtual blocks to replace complex geometric structures to establish flexible multi-block meshes, introduces the constraints of follower points to achieve the mesh reconstruction of the geometric structure in the optimization iteration, and solves the high-precision mesh problem in the multidisciplinary optimization (MDO) process of turbine blades, as Показана на фигура 7. С подкрепата на програмата на Националната отбрана 973, структурната сила и мултидисциплинарната изследователска група за оптимизация на университета Beihang предложи и създаде турбинен дисков вероятностния процес на проектиране въз основа на детерминистичния процес на проектиране на турбинните дискове и първоначално установи първата турбинна дискансивна вероятностна система за проектиране (TPDS) в Китай. Тя включва основните функции на обработката на спектъра на натоварването, произволната обработка на променлива, геометричното моделиране, анализа на режима на отказ и вземането на решения за проектиране и интегрира търговския софтуер като UG, ANSYS и MATLAB, както е показано на фигура 8. Няколко аспекта, които трябва да бъдат допълнително проучени
Вероятностната технология за проектиране на типичните двигателни структури се превърна в една от най -обещаващите ключови технологии за решаване на тесното място на разширените изследвания и разработки на двигатели. Постепенно се използва при разработването на ключови части на напредналите аеро-двигатели в Китай. Той се прилага локално и ефектът започва да се показва. В следващата стъпка на развитие следната изследователска работа трябва да бъде задълбочена и засилена.
1. Вероятностният интегриран дизайн, материален и процесен интегриране и итерация на структурата и итерацията на процесите са основните пътища за подобряване на нивото на развитие на аеро-двигател. Ефективното прилагане на структурната технология за проектиране на двигателя е неразделно от интегрираното разглеждане на материалите и процесите. Therefore, the probabilistic design of engine structures needs to start from the source of design, reveal the influence mechanism and regular regulation of typical structural manufacturing sensitive parameters on the reliability of engine structures, and form a probabilistic design method of typical engine structures that integrates manufacturing sensitive parameters, thereby establishing the theory and method of engine material-process-structure probabilistic integrated design.
2. Мултидисциплинарен дизайн на оптимизация въз основа на надеждността структурният дизайн на аеро-двигателите включва много дисциплини като аеродинамика, материали, пренос на топлина, структура и здравина. Дисциплините са съчетани помежду си. Вероятният дизайн на една дисциплина не може да гарантира, че проектираната структура отговаря на изискванията за надеждност на употребата.
