[发明专利]一种涡轮盘结构概率设计系统的构建方法

说明书

(一)技术领域

涡轮盘结构概率分析作为一种可量化风险的分析方法在高性能航空燃气涡轮发动机中逐渐得到应用。本发明涉及一种涡轮盘结构概率设计系统(即T-PDS)的构建方法，属于航空航天技术中的发动机技术领域。

(二)背景技术

传统的涡轮盘结构设计方法是基于确定性设计参数基础上的，假设结构所有的特征参数为确定值的前提下对结构进行应力或寿命分析，然后用一个安全系数来估计随机因素对结构安全的影响。由于涡轮盘失效后果不可想象，因此设计过程中为了保证该核心部件正常工作，通常假定足够大的安全系数，此举虽然能够减少结构失效的机率，但并不能绝对防止失效的发生，更重要的是该措施造成设计过于保守，不但导致结构重量的增加和材料的浪费，对发动机性能的提高更是极为不利。针对确定性设计方法的缺陷，提出了概率设计的概念。概率设计又称为可靠性设计，这种设计方法认为，作用于结构的真实外载荷及结构的真实承载能力，都是概率意义上的量，设计时不可能予以精确的值，称为随机变量或随机过程，它服从一定的分布。以此为出发点进行结构设计，能够与客观实际情况更好的符合。概率设计可以量化风险，确定涡轮盘在一定置信区间内的可靠度，从而使涡轮盘结构设计满足可靠性要求。同时对涡轮盘进行概率设计的一个很突出的优点是能够减轻涡轮盘的重量，降低成本，从而达到提高发动机性能(推重比)的目的。由此可见，概率设计可同时满足发动机构件设计提高性能和提高可靠性的双重要求，具有重要的工程应用价值和实际意义。

目前国外已经研制出甚至达到可用度较高的概率设计系统，如GE的转子概率设计系统(PRDS)等，而我国在这方面的研究起步较晚，还处于概率设计系统设计与实现的研究阶段。所以目前针对涡轮盘结构的概率设计系统的具体设计与实现还未见文献记载。

(三)发明内容

1、目的：

本发明的目的是为了提供一种涡轮盘结构概率设计系统的构建方法，该方法为设计人员提供一个概率设计的平台，它提高涡轮盘的设计水平，从而提高航空发动机的性能。

2、技术方案：

见图1，本发明从涡轮盘概率设计流程出发，集成如参数化特征建模、概率分析方法、载荷谱处理、参数假设检验等自行开发程序和UG、MATLAB、ANSYS等设计、分析软件，选择低循环疲劳和疲劳-蠕变耦合失效模式作为系统的典型失效模式，形成了一套涡轮盘结构概率设计系统(T-PDS)。

本发明一种涡轮盘结构概率设计系统的构建方法，其特征在于：

步骤一：分析涡轮盘结构概率设计流程，涡轮盘概率设计需要收集涡轮盘试验数据和外场使用数据，并对数据进行统计处理，确定涡轮盘初始模型参数和边界条件后，选定其典型失效模式进行可靠性分析，最后通过流程辅助与设计决策体系辅助设计过程并最终评判设计方案。对概率设计流程的分析与拆解，确定了概率设计流程的系统功能模型，见图6，包括几何建模、随机变量定义、载荷谱、失效模式分析和设计决策主要功能。

步骤二：将典型涡轮盘结构分解为轮盘子午面和榫槽两部分，分别对其提取特征参数，完成参数化特征建模。针对参数化模型，利用vc6.0为开发平台，采用UG OPEN/API对三维建模软件UGNX进行外部开发，实现典型涡轮盘结构的参数化特征建模工具。参数化特征建模工具为涡轮盘结构概率设计系统提供了可不断修改的模型，为概率设计提供了基本保障。

步骤三：将涡轮盘常用材料以电子表格形式保存，采用面向对象的OLE技术开发材料库工具，以宏文件的方式提供给有限元分析软件，形成涡轮盘常用材料库工具。本工具不仅能够提供弹性模量、泊松比、线膨胀系数等基本材料参数的需求，同时将循环应力应变曲线采用下列Ramberg-Osgood方程(3-1)表示，并对其随机化处理，为整个系统完成涡轮盘概率设计提供了确定性材料和随机化材料。