航空发动机关键转动部件疲劳寿命预测与可靠性分析方法

【类型】学位论文

【作者】甘露萍 

【关键词】 航空发动机 寿命预测 疲劳可靠性 认知不确定性 随机不确定性 Copula理论

【摘要】作为提高结构可靠性的有力工具,疲劳可靠性理论与方法长期备受工程界和学术界的关注,亦是可靠性领域的热点和前沿课题。航空发动机大型装备日趋复杂,其疲劳失效日益增加。考虑工程中普遍存在的大量不确定性因素,迫切需要应用疲劳可靠性理论与方法解决航空发动机关键转动部件在抗疲劳设计和疲劳分析中的各种不确定性问题,从而揭示不确定性因素对其疲劳寿命的影响规律。基于疲劳可靠性理论与方法设计出的关键转动部件具有可靠性高、成本低、鲁棒性好等优点,为保障航空发动机安全可靠地运行提供了切实可行的依据。工程实际中的不确定性分为随机不确定性和认知不确定性。目前,考虑随机不确定性的疲劳可靠性理论与方法已有较多研究,相应的理论体系基本建立,但考虑认知不确定性的疲劳可靠性理论与方法研究相对较少,仍有许多难点问题亟待研究和解决。为掌握认知不确定性和随机不确定性对航空发动机关键转动部件(如涡轮盘、涡轮转子叶片及压气机转子叶片)疲劳寿命的影响,本文运用Copula相关性理论、模糊风险优先数(Fuzzy Risk Priority Number,FRPN)方法、鞍点近似(Saddlepoint Approximation,SPA)方法、最大熵方法和疲劳累积损伤理论对其进行疲劳寿命预测与疲劳可靠性分析,以完善和拓展航空发动机关键转动部件现有疲劳可靠性理论方法和体系。本文的主要研究内容及成果体现在以下几个方面:(1)考虑多失效模式之间相关性并进行了压气机与涡轮转子叶片的模糊概率权重风险优先数评估。在故障模式、影响和危害性分析(Failure Mode,Effects and Criticality Analysis,FMECA)的风险优先数评估方法中,针对风险优先数评估中存在多失效模式且相关的情况,用Copula函数进行失效模式相关性建模。考虑风险分析信息中存在的认知不确定性,整合FMECA、故障树分析(Fault Tree Analysis,FTA)、模糊集理论和Copula理论的各自优点,得到考虑相关性和认知不确定性后的失效风险优先数的排序。研究结果表明,该方法能帮助设计者理清失效分析思路并筛选出风险较大的失效模式。(2)提出了基于SPA法的涡轮盘合金疲劳寿命可靠性分析方法。建立了涡轮盘合金低周疲劳寿命预测模型,考虑隐式或显式寿命预测模型中各随机变量的不确定性对构件疲劳寿命的影响,用SPA法对航空发动机涡轮盘GH4133合金进行了疲劳可靠性分析,这对选材、设计和保障产品的高可靠性起着至关重要作用。算例分析显示,SPA法适合随机变量较多和性能函数非线性程度较高的情况,该方法成本低、鲁棒性高,不必对输入随机变量进行分布假设,只需少量的样本便可进行可靠性分析,更符合工程实际。(3)提出了基于最大熵方法的疲劳裂纹扩展寿命可靠性分析方法。基于裂纹闭合原理,建立了改进的广义钝化复锐疲劳裂纹扩展速率模型(Generalized Passivation-Lancet Model for Long Fatigue Crack Propagation Rate,GPLFCPR),并应用该模型对航空发动机涡轮盘直接时效GH4169合金进行了裂纹扩展寿命预测。考虑裂纹扩展寿命模型中变量的随机不确定性,运用最大熵方法进行了疲劳裂纹扩展寿命可靠性分析。仿真结果表明,最大熵方法适合于涡轮盘材料疲劳裂纹扩展寿命的可靠性分析,精度和效率较高。(4)建立了涡轮盘Morrow型广义??N曲面疲劳寿命预测模型并进行了疲劳累积损伤分析。考虑循环应力幅a?和平均应力m?的影响,将三参数幂函数循环??N曲线和Morrow等寿命曲线二者结合,对a?和m?与疲劳寿命N的关系进行了建模,构建了随机载荷作用下的涡轮盘Morrow型广义疲劳??N曲面,并进行了总的疲劳寿命估算。结果表明,三参数幂函数公式与Morrow等寿命曲线二者结合得到的疲劳寿命值更接近于真实额定寿命。

【学位名称】博士

【学位授予单位】电子科技大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】黄洪钟

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