Lietadlo sú typické komplexné inžinierske systémy s multidisciplinárnym prierezovým a viaczložkovým silným spojením. Pracujú pri vysokej teplote, vysokom tlaku, vysokej rýchlosti a zaťažení/prostredí viacerých polí a musia spĺňať extrémne vysoké požiadavky na použitie, ako je vysoký ťah, ľahká hmotnosť, dlhá životnosť a vysoká spoľahlivosť. Sú to extrémne výrobky s veľkým problémom vo vývoji. Ako základná súčasť lietadlových motorov sú konštrukčná integrita a spoľahlivosť štruktúry rotora najslabším spojením v návrhu motorov lietadiel a rozvoja obmedzujúceho obmedzenie motora.
Na jednej strane je štrukturálny systém vystavený tvrdému a zložitému aerodynamickému, mechanickému a tepelnému zaťaženiu, zatiaľ čo mechanika (plyn-podpora) interaguje a obmedzuje materiály, procesy a iné disciplíny; Na druhej strane štrukturálny život vykazuje veľkú disperziu, zatiaľ čo bezpečný let vyžaduje nízku pravdepodobnosť zlyhania. V súčasnosti čelí tradičnej deterministickej technológii dizajnu mnohých výziev. Pravdepodobný návrh, ako metóda kvalitného návrhu, môže kvantifikovať riziká, znížiť hmotnosť a znížiť náklady a zároveň splniť požiadavky na spoľahlivosť. Je to jedna z najsľubnejších kľúčových technológií na riešenie problémov pokročilého vývoja motorov lietadiel. Vývoj konštrukcie motora
AeroEngine konštrukčný dizajn prešiel vývojovým procesom dizajnu statickej sily, návrhu bezpečného života, deterministického návrhu tolerancie poškodenia a konštrukčného pravdepodobnostného dizajnu.
Hlavným východiskovým bodom dizajnu statickej sily je to, že štruktúra sa pri danom konštrukčnom zaťažení nerozbije; Po zaťažení použitia neexistuje viditeľná trvalá deformácia po vykladaní. Po dlhú dobu v minulosti, v dôsledku zaťaženia malého motora, bola úroveň stresu štruktúry veľmi nízka a požiadavky na štrukturálnu životnosť neboli vysoké a návrh statickej sily by mohol spĺňať konštrukčné požiadavky.
V roku 1954 explodovala britská „kométa“ Jet Airliner a narazila do mora. Príčinou nehody bolo poškodenie zlomenín spôsobené únavovým účinkom kovovej štruktúry trupu lietadla. To ukazuje, že navrhovanie štrukturálnych častí podľa statickej sily nemôže zaručiť ich bezpečnosť v používaní a problém bezpečnej životnosti sa musí brať do úvahy pri konštrukčnom dizajne. Po nehode bola pri konštrukčnom návrhu lietadlových motorov prijatá metóda bezpečnostného života.
Predpokladom dizajnu bezpečného života je predpokladať, že štruktúra je kontinuálne jednotné telo bez defektov. Pretože materiál má určitú disperziu, konštrukčný dizajn v strojárstve často určuje priemernú životnosť štruktúry prostredníctvom experimentov a kombinuje skúsenosti, aby poskytol väčší disperzný koeficient a potom získa prípustnú životnosť štruktúry.
Britské ministerstvo obrany (def stan 00-971) vyžaduje, aby krivka so spoľahlivosťou 99,87% (tj -3 σ) bola považovaná za krivku SN zodpovedajúcu bezpečnej životnosti. Americká letecká turbodúchadlo a Turbofan Motor Všeobecná špecifikácia (MIL-E -5007 d) stanovuje, že typická štruktúra motora prijíma dizajn bezpečného života a prípustné charakteristiky sily a životnosti materiálu sú založené na {-3 σ a zodpovedajúcou úrovňou dôvery je 95%, pozri obrázok 1. Federálna správa letectva (FAA) Spojených štátov vyžaduje, aby sa životnosť rotorových častí, ako sú kompresory a disky turbíny, určuje metóda bezpečného návrhu života; Predpisy o letectve Jar-E Európskeho úradu pre letectvo spoločného letectva tiež ustanovujú, že životnosť častí rotora motora musí byť určená metódou bezpečnej životnosti.
Metóda bezpečného dizajnu života zohľadňuje rozptyl mechanických vlastností štrukturálnych materiálov motora a z pravdepodobnostnej perspektívy vytvára vysokú spoľahlivosť, aby sa zabezpečila bezpečnosť štruktúry počas služby. Skutočná štruktúra však musí obsahovať počiatočné defekty, ako sú inklúzie, diery (trhliny) a dutiny. Preto metóda návrhu bezpečného života nezaručuje bezpečnosť a spoľahlivosť štruktúry;
Okrem toho je dizajn bezpečného života veľmi konzervatívnou metódou dizajnu. V rámci súčasnej 95% úrovne spoľahlivosti a 99,87% spoľahlivosti je možné, že iba jedna z 1, 000 štruktúry bude mať špecifikované trhliny a ďalšie 999 sa bude považovať za to, že dosiahol únavovú životnosť a odstúpi z prevádzky, čo bude mať za následok veľký odpad. Odhaduje sa, že viac ako 80% diskov navrhnutých pomocou metódy bezpečného života má po vyradení životnosť 10 -krát alebo viac, takže je potrebné vyvinúť ekonomickejšie metódy návrhu a hodnotenia.
Dizajn tolerancie deterministických škôd môže vyriešiť problémy s bezpečnosťou a hospodárstvom pri návrhu štruktúry motora. Táto metóda sa líši od metódy návrhu bezpečného života. Predpokladá sa, že v materiáli sú defekty alebo malé trhliny a postupne sa budú rozširovať pri pôsobení únavového zaťaženia, čo nakoniec vedie k štrukturálnemu zlyhaniu. Dizajn tolerancie deterministického poškodenia určuje cyklus údržby a maximálnu prípustnú veľkosť trhliny na základe podmienok použitia, materiálových vlastností a požiadaviek na údržbu štruktúry, riadi defekty štrukturálneho materiálu a predĺženie poškodenia v primeranom rozsahu [7] a efektívne zlepšuje ekonomickú efektívnosť údržby štruktúry motora.
Obrys konštrukčnej integrity amerického letectva (MIL-STD -1783) jasne uvádza, že na určenie údržbárskeho cyklu štruktúry by sa malo vykonať návrh tolerancie poškodenia tolerancie. Deterministická metóda návrhu tolerancie poškodenia je však ťažké presne zvážiť vplyv rôznych náhodných faktorov na disperziu života a nemôže presne predpovedať pravdepodobnosť zlyhania štruktúry a citlivosť vstupných parametrov.
Kritériá, zákony a metódy skúmané a stanovené v vyššie uvedenom procese navrhovania štruktúry motora sú deterministické, tj materiálové vlastnosti, výrobné procesy, využívanie misií a ďalšie parametre používajú pevné hodnoty, ktoré nemôžu presne predpovedať únavovú životnosť štruktúry. Preto je ťažké optimalizovať a vyvážiť kritériá štrukturálnej hmotnosti, životnosti a dizajnu a nie je možné poskytnúť kvantitatívny index spoľahlivosti. Životná požiadavka so spoľahlivosťou je významnou črtou moderného návrhu motora a konštrukčný pravdepodobnostný dizajn je dôležitou metódou návrhu na zabezpečenie štrukturálnej spoľahlivosti.
Metóda štrukturálneho pravdepodobnostného návrhu sa domnieva, že skutočné vonkajšie zaťaženie pôsobiace na štruktúru a skutočnú únosnú kapacitu štruktúry sú pravdepodobné množstvá. Počas návrhu nie je možné poskytnúť presné hodnoty. Nazývajú sa náhodné premenné alebo náhodné procesy, ktoré dodržiavajú určitú distribúciu. Berúc do úvahy to ako východiskový bod pre konštrukčný dizajn [10] sa môže lepšie prispôsobiť objektívnej realite. Vo výskume integrovaného vysoko výkonného technologického programu Turbine Engine Technology (IHPTET) navrhli Spojené štáty pravdepodobnostnú metódu návrhu a založili pravdepodobnostný návrh navrhovania (PDS) pre systém rotorov, ktorý znížil rezervu konštrukčného dizajnu na akceptovanú úroveň spoľahlivosti a zabezpečil relatívnu rovnováhu medzi bezpečnosťou a pracovnou kapacitou, ako je uvedené na obrázku 2. Pravdepodobnosť vysokého cyklu únavy čepelí ako jednej z kľúčových technológií. Program konštrukčnej integrity motora USA (MIL-HDBK -1783 b) tiež zdôraznil, že pomocou pravdepodobnostného návrhu namiesto tradičného bezpečnostného faktora alebo deterministického okraja môže presnejšie predstavovať zmeny v odozve komponentov. FAA Spojených štátov presadzuje uplatňovanie štrukturálneho pravdepodobnostného dizajnu v oblasti civilného letectva, nahradenie FAR33.14 za klauzulu o letectve FAR33.70, tj pravdepodobnostnej návrhu tolerancie poškodenia, sa vykonáva pre súčasti obmedzujúceho životnosť motora a úroveň rizika zlyhania sa určuje porovnaním s cieľovým rizikom konštrukcie.
Aby sa splnili výkonnostné požiadavky pokročilých motorov lietadiel, sa neustále objavujú stále viac nových materiálov, ako sú zliatiny prášku, intermetalické zlúčeniny, keramické materiály, kompozitné materiály atď. Tieto materiály majú zjavné zlepšenia oproti tradičným zliatinám kovov v určitých vlastnostiach, ako sú pevnosť, stres, hustota atď., Ale v ich materiálových vlastnostiach existuje veľa neistých faktorov a nové režimy zlyhania a použitie deterministických metód navrhovania bude vytvárať veľké odchýlky. Preto je nevyhnutnejšie prijať pravdepodobnostné metódy navrhovania pre typické štruktúry motora v rámci nových materiálov, nových štruktúr a nových procesných systémov. Kľúčové technológie pre pravdepodobnostný návrh typických štruktúr motora
1. Pravdepodobnostný model náhodných faktorov (1) motory Lietadlá zaťaženia zaťaženia, najmä vojenské motory, musia dokončiť veľké množstvo letových misií, ako sú plavby, jednoduché kúsky, zložité kúsky, útvary, útok a odpočúvanie, čo vedie k veľkému disperzii pracovnej zaťaženia štruktúry motora, ako sú mechanické zaťaženie, aerodynamické zaťaženie a teplotné zaťaženie. Zriadenie modelu pravdepodobnosti zaťaženia motora sa musí kombinovať s technológiou spracovania záťaže spektrum a malo by sa študovať princíp konverzie poškodenia, ako je spektrum načítania motora a štrukturálne spektrum zaťaženia. Zhromažďovaním a spracovaním spektra letového zaťaženia poľa motora a testovacieho spektra sa získava zákon o zmene zaťaženia typickej štruktúry motora v priebehu času a štatistická teória sa používa na stanovenie štatistických charakteristík pravdepodobnosti pracovného zaťaženia typickej štruktúry motora.
(2) Disperzia materiálu Rozdiely v procese prípravy štruktúrnych materiálov motora vedú k disperzii materiálových mechanických výkonov (ako je elastický model, Poissonov pomer, krivka napätia a deformácie atď.); Zároveň sa z dôvodu zložitosti technológie spracovania výrazne líšia vlastnosti materiálov rôznych častí typickej štruktúry motora. Preto je potrebné kombinovať testovacie údaje štandardných vzoriek materiálov a charakteristických častí simulácie rôznych častí štruktúry, aby sa stanovil pravdepodobnostný model overený experimentmi.
Napríklad, aby sa vysporiadali s disperziou vzťahu materiálu cyklického napätia a deformácie, napätie sa môže rozložiť na zložky elastického kmeňa a zložky plastu a lineárne rovnice zložiek elastického kmeňa, zložky plastu a stresu sa stanovia. Vyššie uvedené rovnice sú randomizované a model pravdepodobnosti cyklického napätia je stanovený regresnou metódou, ako je znázornené na obrázku 3. (3) Disperzia procesu procesu sa týka štrukturálnej disperzie spôsobenej náhodnými faktormi, ako je príprava materiálu, metódy spracovania a technológia detekcie.
Počiatočná náhodnosť defektov. Pre metódy prípravy materiálu, ako sú kovanie, odlievanie a horúci izostatický lis, číslo, poloha a veľkosť počiatočných defektov, ako sú inklúzie, otvory a dutiny v materiáli, sú náhodné, ako je znázornené na obrázku 4. Preto je potrebné vyvinúť metódy charakterizácie povrchu/podpisu povrchu/vnútorných defektov a stanoviť sa pre typický model v rôznych regiónoch v rôznych regiónoch. Náhodnosť geometrickej dimenzie. Geometrické rozmery typických štruktúr motora sú náhodné kvôli nestabilite technológie mechanického spracovania. Z tohto dôvodu je potrebné určiť kľúčové geometrické parametre rozmerov typických štruktúr motora prostredníctvom analýzy citlivosti a vykonávať štatistiku kľúčových geometrických rozmerov, aby sa stanovili ich charakteristiky rozdelenia pravdepodobnosti.
Náhodnosť zvyškového stresu. Nestabilita technológie spracovania, ako je technológia povrchovej úpravy motora (ako je peening výstrelu, posilnenie laserom), technológia tepelného spracovania (ako je tuhé roztoky, starnutie) a iné procesy (ako je zváranie lineárneho trenia, zváranie elektrónových lúčov) vedie k náhodnému zvyškovému napätiu na povrchu a vo vnútri štruktúry. Model pravdepodobnosti zvyškového napätia sa musí systematicky študovať pomocou numerickej simulácie, inšpekcie procesov a matematickej štatistiky.
Náhodnosť technológie detekcie detekcie. Rôzne detekčné technológie vedú k náhodnosti vo veľkosti a polohe minimálnej detekovateľnej chyby. Pravdepodobnosť detekcie defektov (POD) je zavedená na opis tejto náhodnosti. Pri príprave poškodených vzoriek s dostatočnými typmi defektov, veľkostí a pozícií, vykonávaním testov detekcie defektov a stanovením matematického modelu detekčných údajov sa krivka detekcie technológie detekcie získa štatistickým spracovaním.
2. Typická štruktúra motora Typické štruktúry motora (ako sú štruktúry čepele turbíny) sú vystavené komplexnému striedavému zaťaženiu/prostrediam viacerých poliach s pevným plynom a ich zlyhaním sú väčšinou kompozitné zlyhania únavy, ako je napríklad únava zlyhania, termomechanická únava, vysoký cyklus cyklus cyklus atď. Zaťaženia/prostredia založené na experimentoch sa stali kľúčovou technológiou pre pravdepodobnostný návrh štruktúr motora. Je potrebné úzko kombinovať teoretický výskum s experimentálnym overením, aby sa odhalil mechanizmus zloženého zlyhania režimu typických štruktúr motora pri zložitých zaťaženiach/prostrediach a vyvinul zodpovedajúce metódy predikcie životnosti zloženej únavy. V kombinácii s disperziou zaťaženia, materiálov a procesov sa vytvorí experimenty kompozitný model pravdepodobnosti zlyhania únavy typických štruktúr motora, ktorý bol overený experimentmi.
Výskumná skupina štrukturálnej sily a multidisciplinárna optimalizačná skupina Pekinskej univerzity letectva a astronautiky berie vysokotlakový disk turbíny s motorom WP7 (vyrobený z GH33) ako objekt k štúdiu a vyvíjajú sa súbor pravdepodobnostných modelov vrátane únavových stránok únavy a spôsobov zlyhania zlyhania únavou a cyklom. šírenie, od materiálových vlastností po konštrukčné aplikácie (obrázok 5). 3. Štrukturálna technológia analýzy pravdepodobnostnej reakcie
Pravdepodobný návrh typických štruktúr motora zahŕňa mnoho disciplín a zložitých štruktúr. Priamo pomocou numerických metód na vyriešenie pravdepodobnosti/spoľahlivosti štrukturálneho zlyhania bude mať za následok príliš dlhý čas výpočtu. Zriadenie metódy štrukturálnej pravdepodobnostnej analýzy reakcie je preto kľúčovou technológiou pre pravdepodobnostný návrh typických štruktúr motora.
V súčasnosti sa na vykonanie analýzy reakcie na štrukturálnu pravdepodobnosť odozvy často používa metóda povrchu odozvy v kombinácii s metódou Monte Carlo a na riešenie problému masívneho výpočtu v analýze štrukturálnej pravdepodobnosti sa vyvinie sada vysokoúčinných metód analýzy pravdepodobnosti pravdepodobnosti. Metódy odberu vzoriek, ako je metóda latinskej hypercube, kvázi monte Carlo Metóda, môžu sa použiť odber vzoriek latinského centraidu a dôležitý odber vzoriek; Môžu sa zvoliť približné metódy modelovania, ako je neurónová sieť, model Kriging a podporný vektorový stroj (obrázok 6).
4. Analýza citlivosti náhodných faktorov
Prostredníctvom analýzy citlivosti náhodných faktorov je možné na jednej strane určiť hlavné faktory ovplyvňujúce disperziu štrukturálnej životnosti, čo poskytuje základný základ pre pravdepodobnostný návrh typických štruktúr motora; Na druhej strane, náhodné premenné s nízkymi ukazovateľmi citlivosti v návrhu štrukturálnej pravdepodobnosti sa môžu spracovať do deterministických parametrov, čím sa ušetrí čas výpočtu a zlepšuje účinnosť riešenia; Zameranie sa na disperziu hlavných náhodných faktorov je priamejšie a významnejšie ako iné faktory pri zlepšovaní presnosti riešenia pravdepodobnosti/spoľahlivosti štrukturálneho zlyhania.
5. Typický systém navrhovania pravdepodobnosti štruktúry zameraný na proces procesu materiálu motora mojej krajiny v oblasti letectva, ktorý vytvorí letecký motor Typická platforma navrhovania pravdepodobnosti s nezávislými právami duševného vlastníctva je tiež kľúčovou technológiou pre návrh pravdepodobnosti štruktúry motora. Realizácia pravdepodobnostnej konštrukčnej platformy motora vyžaduje veľké množstvo iteračných výpočtov. Každá zmena v geometrickom modeli počas procesu výpočtu spôsobí, že sa údaje o analýze a hraničných podmienkach zmenia zodpovedajúcim spôsobom. Technológia pripojenia medzi geometrickým modelom a analytickým modelom, automatickou rekonštrukciou siete a automatickým zaťažením oka sú preto technické ťažkosti, ktoré je potrebné vyriešiť.
Napríklad, štrukturálna sila a multidisciplinárna optimalizačná skupina pre univerzitu v Beihang používa virtuálne bloky na nahradenie komplexných geometrických štruktúr na vytvorenie flexibilných viacblokových ôk, zavádza obmedzenia nasledujúcich bodov na dosiahnutie rekonštrukcie geometrickej optimalizácie v MESH (MESPICICICE OPTURIZIZÁCIA (MERIPI) Process MULIDICICICE ( Čepele, ako je znázornené na obrázku 7. S podporou programu Národnej obrany 973, štrukturálna sila a multidisciplinárna optimalizačná skupina Výskumná skupina na univerzite v Beihang navrhla a vytvorila proces pravdepodobnostného návrhu turbíny založeného na procese deterministického návrhu diskov turbíny a spočiatku vytvorila prvú turbínovú disk štrukturálnu pravdepodobnostnú konštrukčnú konštrukciu (TPD) v Číne. Zahŕňa hlavné funkcie spracovania zaťaženia spektra, náhodného spracovania premenných, geometrického modelovania, analýzy režimu zlyhania a rozhodovania o návrhu a integruje komerčný softvér, ako sú UG, ANSYS a MATLAB, ako je znázornené na obrázku 8. Niekoľko aspektov, ktoré je potrebné ďalej študovať
Pravdepodobná dizajnová technológia typických štruktúr motora sa stala jednou z najsľubnejších kľúčových technológií na riešenie prekážky pokročilého výskumu a vývoja motora. Postupne sa používa pri vývoji kľúčových častí pokročilých leteckých motorov v Číne. Bola použitá lokálne a účinok sa začína prejavovať. V ďalšom kroku vývoja je potrebné prehĺbiť a posilniť nasledujúce výskumné práce.
1. Efektívne uplatňovanie technológie konštrukčného konštrukcie motora je neoddeliteľná od integrovaného zváženia materiálov a procesov. Preto je pravdepodobný návrh štruktúr motorov začínajúci od zdroja dizajnu, odhalí mechanizmus vplyvu a pravidelnú reguláciu typických konštrukčných výrobných parametrov citlivých na spoľahlivosť štruktúr motora a vytvárať pravdepodobnostnú metódu návrhu typických štruktúr motorov, ktoré integrujú výrobné citlivé parametre, čím sa stanovuje teória a metóda motora materiálového materiálu, ktorá je možné integrovaná integrovaná integrovaná integrovaná integrovaná konštrukcia.
2. Návrh multidisciplinárnej optimalizácie založený na spoľahlivosti štrukturálny návrh leteckých motorov zahŕňa mnoho disciplín, ako sú aerodynamika, materiály, prenos tepla, štruktúra a sila. Disciplíny sú navzájom spojené. Pravdepodobný dizajn jednej disciplíny nemôže zaručiť, že navrhnutá štruktúra spĺňa požiadavky na spoľahlivosť použitia.
