一种涡轮叶盘结构强度可靠性设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明是一种针对航空发动机满轮叶盘结构强度的可靠性设计方法，它是一种能 够考虑材料、几何等因素分散性的设计方法，属于航空航天发动机技术领域。
【背景技术】
[0002] 航空发动机是一种极限产品，工作在高溫、高压、高转速等的复杂载荷/环境下;发 动机性能及安全性指标的提高，要求发动机重量轻、长寿命、高可靠性(如，安全飞行对发动 机结构件则要求低的破坏概率，可达10- 5-10-7次/飞行小时）。目前，现役和在役发动机的结 构重(性能不过关)且不保证可靠。究其原因，在设计过程中，结构某些部位进行了偏保守的 设计，会导致其它部位偏于危险，且危险不可控。运主要是由于未考虑设计输入随机性、未 考虑寿命可靠性和强度可靠性设计造成的。
[0003] 传统的强度设计常采用分散系数来反映结构的分散度，为保证安全，目前给定的 分散系数偏大，造成结构冗余，给减重带来挑战。因此，满轮叶盘结构强度的可靠性设计是 高功重比发动机必须采用的手段之一。
[0004] 目前传统满轮叶盘结构设计方法主要是W确定性设计为主，并结合部分实验内 容，难W准确给出结构的实际强度，量化结构的失效风险。
【发明内容】
[0005] 本发明技术解决方案:克服现有技术的不足，提供一种满轮叶盘结构强度可靠性 设计方法，能够给出准确的实际强度，量化结构的失效风险。
[0006] 本发明技术解决方案:一种满轮叶盘结构强度可靠性设计方法，概括起来，主要包 括:初始方案设计、确定性详细设计、失效部位的强度可靠性设计、组合风险评估和设计决 策五个部分。强度可靠性设计包括可能引起满轮叶盘结构破坏的多个失效部位(如盘屯、、福 板、禅槽、禅头、叶根等)的强度可靠性设计，其中考虑载荷(包括溫度、转速）、材料和几何尺 寸等随机因素造成的应力分散性;将失效部位的组合风险和满轮叶盘结构重量作为设计决 策函数，若不满足设计要求，需重新修改设计直到满足满轮叶盘结构高性能和高可靠性的 双重指标。
[0007] 实现步骤如下：
[000引（1)初始满轮叶盘结构方案设计:依据传统的强度分析方法设计确定满轮叶盘结 构的初始方案，同时确定满轮叶盘结构的几何形状，并计算得到初始方案的重量，为后面的 设计决策提供数据依据；
[0009] (2)确定性详细设计:针对满轮叶盘选取的材料，通过材料性能试验或材料数据手 册，获取该材料必须的材料属性，必须的材料属性包括弹性模量、泊松比、疲劳寿命;通过传 热分析或实际测量，获取满轮叶盘结构的溫度谱;通过外场发动机工作数据统计，获得发动 机的转速谱，然后结合溫度谱和转速谱运两种载荷谱获取满轮叶盘结构工作时最危险的溫 度场和离屯、载荷，得到满轮叶盘结构Ξ维应力和应变分析所需的确定性载荷；W初始满轮 叶盘结构方案设计为基础，w选取的材料数量和确定性载荷为输入条件，进行满轮叶盘结 构的详细Ξ维应力/应变分析，得到满轮叶盘结构的应变、应力、位移的分布场;将满轮叶盘 结构确定性设计准则作为优化约束条件，依据确定性设计准则中对满轮叶盘结构各考核部 位应力、应变、变形量等指标值的具体要求，判断分析结果是否满足;若不满足确定性设计 准则要求，则返回设计支持，W各环节分析结果、专家意见等信息作为支持查找原因，修改 满轮叶盘结构的几何形状，直到满足确定性设计准则为止；
[0010] (3)多失效部位的强度可靠性设计:在确定性详细设计的基础上，分析影响满轮叶 盘结构的几何、载荷、材料的随机因素及其分布特征，建立多失效部位的应力模型，多个失 效部位包括盘屯、、福板、禅槽、禅头、叶根位置;抽样计算得到各失效部位的应力分布，进一 步计算各失效部位的可靠性;针对强度概率准则中对各失效部位的具体要求，对强度可靠 性分析结果进行评估;如结构可靠性结果不满足强度概率准则要求，则返回设计支持，W各 环节分析结果作为支持查找原因，修改满轮叶盘结构的几何形状；
[0011] (4)组合风险评估:基于多失效部位的强度可靠性分析结果，对各失效部位中的各 个失效部位的风险水平进行组合风险评估，计算满轮叶盘结构的整体失效概率；
[0012] (5)设计决策:依据步骤(1)中满轮叶盘结构设计的初始方案的重量，结合步骤(4) 组合风险评估确定的整体失效概率的结果进行设计决策;若重量、强度、寿命、可靠性等技 术指标满足要求，则完成设计；否则转入返回设计支持，即W分析结果作为支持查找原因， 返回初始结构方案，对尺寸或材料进行修改;再次重复步骤(2)至(5)，如此反复进行直到满 足要求。
[0013] 所述步骤(4)中在进行组合风险评估时，将各失效部位看作串联模型，或结合设计 经验采用权重系数法，来计算满轮叶盘结构的整体失效概率，串联模型可靠度计算公式如 下：
[0014] 护巧細cture 扣 any i'ailurc po加 on]=巧厂I U 厂]U ... U 厂、]=I -!]器.與…
[001引 p[Fi]为第i个位置的失效概率（i = l，2，· · -，5;i = l为盘屯、位置，i = 2为福板 位置，i = 3为禅槽位置，i = 4为禅头位置，i = 5为叶根位置）。
[0016] 本发明与现有技术相比的优点在于:本发明满轮叶盘结构强度可靠性设计方法， 与传统满轮叶盘结构确定性设计方法相比，全面考虑了载荷、材料和几何尺寸等随机因素 的分散性，分析了可能出现的各种失效部位，量化了满轮叶盘结构的失效风险，最后基于强 度可靠性分析结果，对满轮叶盘结构进行优化。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明的满轮叶盘结构强度可靠性设计方法流程图。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图，对本发明满轮叶盘结构强度可靠性设计方法的技术方案做进一步 说明。
[0019] 考虑载荷、材料和几何等因素的分散性，结合满轮叶盘结构强度可靠性准则，本发 明提的满轮叶盘结构强度可靠性设计方法，其流程见图1。
[0020] (1)初始满轮叶盘结构方案设计:依据传统的强度分析方法设计确定满轮叶盘结 构的初始方案，同时确定满轮叶盘结构的几何形状，并计算得到初始方案的重量，为后面的 设计决策提供数据依据；
[0021] (2)确定性详细设计:针对满轮叶盘选取的材料，通过材料性能试验或材料数据手 册，获取该材料必须的材料属性，必须的材料属性包括弹性模量、泊松比、疲劳寿命;通过传 热分析或实际测量，获取满轮叶盘结构的溫度谱;通过外场发动机工作数据统计，获得发动 机的转速谱，然后结合溫度谱和转速谱运两种载荷谱获取满轮叶盘结构工作时最危险的溫 度场和离屯、载荷，得到满轮叶盘结构Ξ维应力和应变分析所需的确定性载荷；W初始满轮 叶盘结构方案设