专利名称：一种涡轮盘结构概率设计系统的构建方法
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。
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
眉、o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。
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。 式中A e t——应变范围；A o-应力范围；E——弹性模量K'——循环强度系数；n'——循环应变硬化指数。步骤四集成雨流计数程序，处理基准载荷谱，为低循环分析提供主次循环载荷参 数，同时集成MATLAB的数据处理函数，基本实现独立的数据处理能力，能够完成对外场数 据分布类型的点参估计、区间估计和假设检验。步骤五在考虑载荷随机和材料随机的基础上，对于Masson-coffin应变寿命模 型(5-1)不仅保留了传统的假设疲劳参数为正态分布的做法，而且对应变寿命模型的异方 差特性进行了研究，实现对疲劳试验数据的异方差回归处理，提供应变寿命模型的异方差 可靠性模型。疲劳蠕变耦合概率分析中，采用双参数特性(5-2)表征的疲劳蠕变耦合函数。 式中A e t——应变范围；of'—疲劳强度系数；E——弹性模量；b——疲劳强度指数；ef'——疲劳延性系数；c——疲劳延性指数；Nf——失效循环数。 式中Df——疲劳损伤；
D。——蠕变损伤；e17 e2—材料参数，由实验确定。步骤六以任务为基本单元，以涡轮盘概率设计流程为涡轮盘结构概率设计系统 核心的原则，搭建涡轮盘结构概率设计系统数据库，为概率设计过程提供数据管理和数据 支持。系统的任务是按照流程自动建立的，数据库中自动记录用户的操作任务，只有完成了 上一步的操作，下一步的任务模块才会在系统工程树列表中显示出来，同时系统会将概率 设计流程显示到实时显示窗口中，以红色标记已经完成的任务，实时提醒设计人员。涡轮盘结构概率设计系统利用后台命令APDL集成ANSYS作为有限元分析平台，集 成UGNX实现三维建模，集成自开发参数化特征建模工具实现参数化建模，集成自开发材料 工具实现随机化材料，集成MATLAB实现数据处理，集成自开发雨流计数程序实现基准载荷 谱处理，并以SQL SERVER2000数据库作为提供全局数据支持。通过上述方法和步骤，开发 的涡轮盘结构概率设计系统包括参数化特征建模、随机变量定义、材料管理、载荷定义、参 数假设检验、响应面处理、流程选择、寿命计算、设计决策、二维优化、三维应力应变分析、破 裂转速概率分析、低循环疲劳概率分析、疲劳-蠕变耦合概率分析等功能模块，各个模块即 独立存在又相互关联，共同构成涡轮盘概率设计流程。设计人员即可以选择利用单独一个 模块，也可以选择整个流程进行概率设计。所述参数化特征建模是自开发典型涡轮盘结构的参数化特征建模工具，包括轮盘 子午面设计和榫槽截面设计两部分，其静态用例图如图7(a)所示；所述材料管理是自开发涡轮盘常用材料库工具，根据设计分析需要分别提供基本 材料参数和随机化应力应变曲线，其静态用例图如图8(b)所示；所述载荷定义是不仅包括转速等基本信息的定义，也集成雨流计数方法对基准载 荷谱的处理，其静态用例图如图8(a)所示；所述参数假设检验是集成MATLAB的数据处理函数，完成对数据假设检验；所述响应面处理是集成高精度CVT抽样方法；所述流程选择是设计人员在分析中选择需要适用的流程；所述寿命计算是集成自开发低循环疲劳寿命公式计算工具和疲劳_蠕变耦合寿 命计算工具。3、功效及优点本发明一种涡轮盘结构概率设计系统(T-PDS)的构建方法，通过完成对涡轮盘结 构概率系统的设计与实现，为涡轮盘的设计提供了一个可以进行概率化设计的平台。较传 统确定性设计相比，T-PDS系统针对涡轮盘设计进行辅助设计，设计过程采用可靠性进行约 束，能够在提升性能和保证可靠性的情况下，显著的降低涡轮盘的重量，量化风险。
图1为涡轮盘概率设计流程图；图2为简化的系统分析流程图；图3为涡轮盘单失效模式分析流程图；图4为系统活动模型图；图5为设计人员进行任务分析时，系统的处理机制；
6
图6为系统功能图；图7 (a)为设计人员进行参数化建模时的静态用例图；图7 (b)为设计人员进行参数化建模模块流程图；图8(a)为设计人员进行载荷定义时的静态用例图；图8 (b)为设计人员进行材料定义时的静态用例图；图9为材料定义模型系统流程图；图10为设计人员进行二维涡轮盘优化时系统静态用例图；图11为设计人员进行涡轮盘三维应力应变分析时系统静态用例图；图12为设计人员进行涡轮盘破裂转速概率分析时系统静态用例图；图13为设计人员进行涡轮盘低循环疲劳概率分析时系统静态用例图；图14为设计人员进行涡轮盘疲劳_蠕变耦合概率分析时系统静态用例图；图15为低循环疲劳概率分析和疲劳蠕变耦合概率分析系统流程图；图16为系统任务机制流程图；图17为系统的架构模式；图18为系统数据库的E-R模型。图中代号说明如下图1中0为确定性优化分析，L1为确定性载荷，B为破裂转速，M为耦合失效模式 的概率分析，N为屈服概率分析，R其他失效模式的概率分析，K为专家知识库；图3中ANSYS为有限元分析软件；图4中AO为载荷定义，A1为材料定义，A2为设计决策，A3为几何建模，A4为三 维应力应变分析，A5为破裂转速概率分析，A6为低循环疲劳概率分析，A7疲劳蠕变耦合概 率分析，M0为三维建模软件UGNX，Ml为有限元分析软件ANSYS，M2为计算机环境；图6中ANSYS为有限元分析软件，Monto-Carlo为蒙特卡洛抽样方法；图7(a)、7(b)及图10、11、12中:ANSYS为有限元分析软件，UG为三维建模软件;图13中MaSS0n-C0ffin为曼森柯芬公式，Miner为迈耶线性累计损伤理论， Goodman为疲劳极限线图；图15中MATLAB为数学分析软件。
具体实施例方式本发明一种涡轮盘结构概率设计系统的构建方法，该方法具体步骤如下步骤一见图1，涡轮盘结构概率设计流程包括确定性优化分析，三维应力/应变 分析，材料属性，载荷，破裂转速概率分析，失效模式概率分析，设计决策和专家知识库等部 分，总结流程数据流动可以看出，见图2，整个涡轮盘结构概率设计流程是一个设计模型、分 析模型和再修改模型、分析模型的过程。其中设计模型见步骤二，分析模型过程见图3所 示，对模型施加载荷和边界条件，进行单失效模式确定性分析，之后完成随机变量定义、概 率方法选择，进行可靠性分析，并通过准则对分析结果进行评价。分析涡轮盘结构概率设计 流程，获得系统的详细活动模型图，见图4，从载荷、材料和几何模型入手，加入设计决策的 约束，按照概率设计流程进行三维应力应变分析、破裂转速概率分析、低循环疲劳概率分析 和疲劳蠕变耦合概率分析，最终得到满足设计决策的涡轮盘模型。将系统的活动模型图转换为系统的功能图，从而确定了涡轮盘结构概率设计系统的功能模型，见图6。系统功能模 型包括载荷谱，随机变量定义，几何建模，优化设计，确定性分析，概率响应分析，失效模式 分析，设计决策，数据管理和系统帮助等几个主要功能。步骤二 本步骤实施前提需操作系统安装三维建模软件UGNX，同时需要步骤三提 供的材料宏文件。分析图4系统活动模型中的A3模块，输入尺寸参数和材料参数，分别获 得三维UG模型和ANSYS模型。参数化建模模块流程图见图7 (b)，T-PDS系统将典型涡轮盘 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，通过三维建模软件UGNX提 供的表达式功能完成典型涡轮盘结构的参数化建模。针对参数化模型，利用Visual C++6. 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。同时参数化特征建模工具利用APDL语言集成有限元分析软件 ANSYS，以PARAS0LID格式作为三维建模软件与有限元分析软件的接口，实现两种软件之间 的数据传递，同时调用步骤三保存在数据库中的材料宏文件，使得参数化特征建模工具能 够提供DB格式的有限元分析模型，为涡轮盘概率分析提供直接模型支持。步骤三本步骤实施前提必须具备以电子表格形式保存的涡轮盘常用材料库。材 料模块系统流程图见图9，T-PDS利用涡轮盘常用材料文档，采用面向对象的OLE技术开发 材料库工具，根据不同需要分别提供常用材料宏文件、包含蠕变参数的材料宏文件和包含 概率循环应力应变曲线的材料宏文件三种形式宏文件。当选择包含概率循环应力应变曲 线材料时，T-PDS对循环应力应变曲线采用Ramberg-Osgood方程(3_1)表示，并利用统计 回归方法对提供的稳态迟滞回线特征值数据进行随机化处理，统计处理后Ramberg-Osgood 方程可表示为公式3-2，形成随机化循环应力应变曲线。
式中a，b，c, d为统计参数；P为标准正态变量。步骤四本步骤实施前提需操作系统安装数学工具软件MATLAB。载荷定义见图 15中低循环疲劳确定性分析子流程，T-PDS集成雨流计数法，对基准转速谱处理，获取低循 环疲劳分析所需主次循环数。见图15中随机变量定义子流程，T-PDS采用引擎开发模式集 成MATLAB的数据处理函数，基本实现独立的数据处理能力，能够完成对外场数据分布类型 (正态分布、威布尔分布等)的点参估计、区间估计和总体正态分布的假设检验，为概率分 析中随机变量分布类型参数的定义提供支持。步骤五图15为低循环疲劳和疲劳蠕变耦合概率分析流程图，利用步骤二提供的 模型、步骤四定义的载荷和主次循环参数，选择应变寿命模型进行低循环疲劳确定性分析，选择双参数特性函数模型进行疲劳蠕变耦合确定性分析；同时利用步骤四中提供的随机变 量，然后选择概率方法进行概率分析，获得可靠性寿命。T-PDS在考虑载荷随机和材料随机 的基础上，对于Masson-coffin应变寿命模型(5_1)不仅保留了传统的假设疲劳参数为正 态分布的做法，同时对对疲劳试验数据进行异方差回归处理，提供应变寿命模型的异方差 可靠性模型(5-3)。疲劳蠕变耦合概率分析中，采用双参数特性(5-2)表征的疲劳蠕变耦合 函数。 ^ =+s'人2NJ(5-1)
2
E
式中A ￡
E-b-
一应变范围； ——疲劳强度系数； -弹性模量； _疲劳强度指数； ——疲劳延性系数；
c——疲劳延性指数； 一失效循环数。
(5-2)
式中Df——疲劳损伤； D。——蠕变损伤； e” 02_材料参数，由实验确定c
(5-3)式中a，b，c，d，1，m, n, p为统计参数，y为标准正态变量。步骤六分析图4系统活动模型中的各个模块，AO的材料模块，A1的载荷模块，A2 的几何模型模块，A3的设计决策模块均是为A4，A5，A6，A7模块服务，为涡轮盘的分析提供 准则。T-PDS采用流程任务机制，流程图见图16，其中单个任务流程图见图5，T-PDS以任务 为基本单元，按照流程自动建立，数据库中自动记录用户的操作任务，只有完成了上一步的 操作，下一步的任务模块才会在系统工程树列表中显示出来，同时系统会将概率设计流程 显示到实时显示窗口中，以红色标记已经完成的任务，实时提醒设计人员。T-PDS以涡轮盘 概率设计流程为涡轮盘结构概率设计系统核心的原则，以分析任务为中心，搭建涡轮盘结 构概率设计系统数据库，E-R模型见图18，为概率设计过程提供数据管理和数据支持。其中，步骤二中所述参数化特征建模工具是自开发典型涡轮盘结构的参数化特征 建模工具，包括轮盘子午面设计和榫槽截面设计两部分，其静态用例图如图7 (a)，流程图如 图7(b)所示；其中，步骤三中所述材料库是自开发涡轮盘常用材料库工具，根据设计分析需要 分别提供基本材料参数和随机化应力应变曲线，其流程图如图9所示；其中，步骤四中所述载荷定义是不仅包括转速等基本信息的定义，也集成雨流计 数方法对基准载荷谱的处理，其静态用例图如图8(a)所示；所述随机变量定义对概率分析中变量进行分布类型定义，同时利用MATLAB数据处理函数对散点数据进行处理，其静态用 例图如图8(b)所示；其中，步骤一中所述二维优化模块系统静态用例图如图10所示，三维应力应变分 析模块系统静态用例图如图11所示，破裂转速概率分析系统静态用例图如图12所示，低循 环疲劳概率分析系统静态用例图如图13所示，疲劳-蠕变耦合概率分析系统静态用例图如 图14所示。T-PDS系统运行平台为Windows 2000/XP/NT,需安装有限元分析软件ANSYS10. 0 或以上版本，数值软件MATLAB7. 0，三维建模软件UGNX4. 0，并架构SQL SERVER2000数据库， 方可完整实现涡轮盘结构概率设计系统的功能。T-PDS系统以数据库(见图18)为依托，以流程为辅助暗线，利用后台命令APDL集 成ANSYS作为有限元分析平台，集成UGNX实现三维建模，集成自开发参数化特征建模工具 实现参数化建模，集成自开发材料工具实现随机化材料，集成MATLAB实现数据处理，集成 自开发雨流计数程序实现基准载荷谱处理，以C/S模式(见图17)架构了一个可进行涡轮 盘结构概率设计的平台。
权利要求
一种涡轮盘结构概率设计系统的构建方法，其特征在于该方法具体步骤如下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，包括几何建模、随机变量定义、载荷谱、失效模式分析、设计决策；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Ramberg-Osgood方程(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； <mrow><mfrac> <msub><mi>Δϵ</mi><mi>t</mi> </msub> <mn>2</mn></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mi>Δσ</mi> <mrow><mn>2</mn><mi>E</mi> </mrow></mfrac><mo>+</mo><msup> <mrow><mo>(</mo><mfrac> <mi>Δσ</mi> <mrow><mn>2</mn><msup> <mi>K</mi> <mo>′</mo></msup> </mrow></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><msup> <mi>n</mi> <mo>′</mo></msup> </mrow></msup><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>式中Δεt——应变范围；Δσ——应力范围；E——弹性模量K′——循环强度系数；n′——循环应变硬化指数；步骤四集成雨流计数程序，处理基准载荷谱，为低循环分析提供主次循环载荷参数，同时集成MATLAB的数据处理函数，基本实现独立的数据处理能力，完成对外场数据分布类型的点参估计、区间估计和假设检验；步骤五在考虑载荷随机和材料随机的基础上，对于Masson-coffin应变寿命模型(2)不仅保留了传统的假设疲劳参数为正态分布的做法，而且对应变寿命模型的异方差特性进行了研究，实现对疲劳试验数据的异方差回归处理，提供应变寿命模型的异方差可靠性模型；疲劳蠕变耦合概率分析中，采用双参数特性(3)表征的疲劳蠕变耦合函数； <mrow><mfrac> <msub><mi>Δϵ</mi><mi>t</mi> </msub> <mn>2</mn></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <msubsup><mi>σ</mi><mi>f</mi><mi>t</mi> </msubsup> <mi>E</mi></mfrac><msup> <mrow><mo>(</mo><msub> <mrow><mn>2</mn><mi>N</mi> </mrow> <mi>f</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mi>b</mi></msup><mo>+</mo><msubsup> <mi>ϵ</mi> <mi>f</mi> <mi>t</mi></msubsup><msup> <mrow><mo>(</mo><msub> <mrow><mn>2</mn><mi>N</mi> </mrow> <mi>f</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mi>c</mi></msup><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>式中Δεt——应变范围； σf′——疲劳强度系数； E——弹性模量； b——疲劳强度指数； εf′——疲劳延性系数； c——疲劳延性指数； Nf——失效循环数。
<mrow><msub> <mi>D</mi> <mi>f</mi></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><mo>-</mo><msup> <mi>e</mi> <mrow><msub> <mi>θ</mi> <mn>1</mn></msub><msub> <mi>D</mi> <mi>c</mi></msub> </mrow></msup><mo>+</mo><mfrac> <mrow><msup> <mi>e</mi> <msub><mi>θ</mi><mn>1</mn> </msub></msup><mo>-</mo><mn>2</mn> </mrow> <mrow><msup> <mi>e</mi> <msub><mi>θ</mi><mn>2</mn> </msub></msup><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <msup><mi>e</mi><mrow> <msub><mi>θ</mi><mn>2</mn> </msub> <msub><mi>D</mi><mi>c</mi> </msub></mrow> </msup> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>式中Df——疲劳损伤； Dc——蠕变损伤； θ1，θ2——材料参数，由实验确定；步骤六以任务为基本单元，以涡轮盘概率设计流程为涡轮盘结构概率设计系统核心的原则，搭建涡轮盘结构概率设计系统数据库和E-R模型，为概率设计过程提供数据管理和数据支持；系统的任务是按照流程自动建立的，数据库中自动记录用户的操作任务，只有完成了上一步的操作，下一步的任务模块才会在系统工程树列表中显示出来，同时系统会将概率设计流程显示到实时显示窗口中，以红色标记已经完成的任务，实时提醒设计人员。
全文摘要
一种涡轮盘结构概率设计系统的构建方法，它有六大步骤一分析涡轮盘结构概率设计流程，对失效模式进行分析，确定概率设计流程的系统功能模型；二分别提取轮盘子午面和榫槽的特征参数，完成参数化建模；三将涡轮盘常用材料以电子表格形式保存，形成材料库工具；四集成雨流计数程序，处理基准载荷谱，为低循环分析提供主次循环载荷参数并集成MATLAB数据处理函数，用双参数特性函数表示疲劳-蠕变耦合；五对应变寿命模型的异方差特性进行研究并提供模型，实现对疲劳试验数据的异方差回归处理；六以任务为基本单元和涡轮盘概率设计流程为核心的原则，搭建涡轮盘结构概率设计系统数据库。本发明在航空航天发动机领域内具有广阔地应用前景。
文档编号G06F17/50GK101853317SQ201010153650
公开日2010年10月6日 申请日期2010年4月20日 优先权日2010年4月20日
发明者樊江, 王荣桥, 胡殿印, 蔡坤, 陈景阳 申请人:北京航空航天大学