一種渦輪葉盤結(jié)構(gòu)振動可靠性設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是一種針對航空發(fā)動機滿輪葉盤結(jié)構(gòu)振動的可靠性設(shè)計方法，它是一種能 夠考慮材料、幾何、載荷等因素分散性的設(shè)計方法，屬于航空航天發(fā)動機技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 航空發(fā)動機是一種極限產(chǎn)品，工作在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速等的復(fù)雜載荷/環(huán)境下;發(fā) 動機性能及安全性指標(biāo)的提高，要求發(fā)動機重量輕、長壽命、高可靠性(如，安全飛行對發(fā)動 機結(jié)構(gòu)件則要求低的破壞概率，可達10- 5-10-7次/飛行小時）。航空發(fā)動機中葉片振動疲勞 損傷故障是多發(fā)性的常見故障，其故障比率往往占到發(fā)動機零件疲勞故障的30%~40%。 目前，振動問題仍是困擾發(fā)動機滿輪葉盤結(jié)構(gòu)的主要問題之一。究其原因，在設(shè)計過程中， 振動僅僅通過給定避開共振裕度保證，導(dǎo)致某些狀況下結(jié)構(gòu)設(shè)計偏于保守，而某些狀況下 結(jié)構(gòu)設(shè)計偏于危險。運主要是由于未考慮設(shè)計輸入隨機性、未考慮振動可靠性設(shè)計造成的。
[0003] 傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計常利用Campbell圖確定結(jié)構(gòu)的共振轉(zhuǎn)速，并給定避開共振裕度， 規(guī)定在工作轉(zhuǎn)速內(nèi)葉片不存在共振狀態(tài)或接近共振狀態(tài)。為保證安全，給定的避開共振裕 度往往偏大，造成結(jié)構(gòu)冗余。因此，滿輪葉盤結(jié)構(gòu)振動可靠性設(shè)計是提高推重比的重要手 段。同時，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中沒有考慮材料、幾何、轉(zhuǎn)速的分散性，不能量化結(jié)構(gòu)共振的風(fēng) 險，不能保證滿輪葉盤在飛行過程中完全避免共振狀態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明技術(shù)解決方案:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種滿輪葉盤結(jié)構(gòu)振動可靠性 設(shè)計方法，量化結(jié)構(gòu)的失效風(fēng)險。
[000引本發(fā)明技術(shù)解決方案:一種滿輪葉盤結(jié)構(gòu)振動可靠性設(shè)計方法，考慮全部危險振 型，確定結(jié)構(gòu)在給定的避開共振裕度指標(biāo)下的綜合可靠度。主要包括:初始方案設(shè)計、危險 振型分析、振動可靠性設(shè)計和設(shè)計決策四個部分。振動可靠性設(shè)計考慮載荷、材料和幾何尺 寸等隨機因素造成的壽命分散性;將避開共振的可靠度和滿輪葉盤結(jié)構(gòu)重量作為設(shè)計決策 函數(shù)，若不滿足設(shè)計要求，需重新修改設(shè)計直到滿足滿輪葉盤結(jié)構(gòu)高性能和高可靠性的雙 重指標(biāo)。
[0006] 實現(xiàn)步驟如下：
[0007] (1)初始方案設(shè)計:首先開展?jié)M輪葉盤結(jié)構(gòu)初始方案設(shè)計，根據(jù)強度、氣動要求確 定滿輪葉盤結(jié)構(gòu)初步形式，并使共振轉(zhuǎn)速不落在發(fā)動機設(shè)計工作轉(zhuǎn)速附近或者發(fā)動機在共 振轉(zhuǎn)速下停留時間不長;計算并確定滿輪葉盤結(jié)構(gòu)初始方案的重量，為后續(xù)步驟提供重量 初始量；
[0008] (2)確定性詳細設(shè)計:通過滿輪葉盤選取的材料性能試驗或材料數(shù)據(jù)手冊，獲取滿 輪葉盤結(jié)構(gòu)的材料屬性;通過傳熱分析或?qū)嶋H測量，獲取結(jié)構(gòu)的溫度場;對滿輪葉盤結(jié)構(gòu)進 行考慮預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析;結(jié)合結(jié)構(gòu)前后靜葉或支板結(jié)構(gòu)，確定滿輪葉盤結(jié)構(gòu)的激振源;結(jié) 合模態(tài)分析結(jié)構(gòu)與激振源確定的倍頻線繪制Campbell圖，如圖1所示，根據(jù)滿輪葉盤的設(shè)計 轉(zhuǎn)速，獲得滿輪葉盤結(jié)構(gòu)的避開共振裕度，結(jié)合確定性設(shè)計準(zhǔn)則，判斷滿輪葉盤結(jié)構(gòu)是否滿 足準(zhǔn)則要求;若不滿足確定性設(shè)計準(zhǔn)則要求，則返回設(shè)計支持，即W分析結(jié)果作為支持查找 原因，對滿輪葉盤結(jié)構(gòu)尺寸或材料進行修改，直到滿足確定性設(shè)計準(zhǔn)則為止；
[0009] (3)振動可靠性設(shè)計：在確定性詳細設(shè)計的基礎(chǔ)上，分析影響滿輪葉盤結(jié)構(gòu)的幾 何、材料隨機因素及其分布特征，獲得各階固有頻率尤其危險振型固有頻率的分布特征;通 過發(fā)動機原始飛行參數(shù)記錄和載荷譜分析，獲得發(fā)動機的轉(zhuǎn)速譜，進而獲得激勵源頻率的 分布特征，并結(jié)合給定的避開共振裕度修正激勵源頻率;結(jié)合危險振型固有頻率的分布特 征與危險激勵源頻率的分布特征，獲得確定性設(shè)計準(zhǔn)則給定的避開共振裕度的可靠度，針 對結(jié)構(gòu)振動概率準(zhǔn)則，對滿輪葉盤結(jié)構(gòu)振動可靠性分析結(jié)果進行評估，如滿輪葉盤結(jié)構(gòu)可 靠性結(jié)果不滿足要求，則返回設(shè)計支持，即W分析結(jié)果作為支持查找原因，對滿輪葉盤結(jié)構(gòu) 尺寸或材料進行修改；
[0010] (4)組合風(fēng)險評估:對每個危險振型進行步驟（3)的分析，并對全部振型進行組合 風(fēng)險評估，計算滿輪葉盤結(jié)構(gòu)滿足給定避開共振裕度的綜合可靠度；
[0011] (5)設(shè)計決策:依據(jù)滿輪葉盤結(jié)構(gòu)初始方案的重量，避開共振裕度和可靠性各項技 術(shù)指標(biāo)，對滿輪葉盤結(jié)構(gòu)進行評估，若各項技術(shù)指標(biāo)滿足要求，則完成設(shè)計；否則轉(zhuǎn)入設(shè)計 支持，結(jié)合分析結(jié)果查找原因，返回滿輪葉盤結(jié)構(gòu)初始方案，對滿輪葉盤結(jié)構(gòu)尺寸或材料進 行修改，再次重復(fù)步驟(2)至(5)，如此反復(fù)進行直到滿足設(shè)計決策要求。
[0012] 所述步驟(3)中，避開共振裕度修正激勵源頻率時，考慮結(jié)構(gòu)避開共振裕度δ，將激 勵源頻率的低頻率危險振型進行（1+δ)修正，將激勵源頻率的高頻率危險振型進行（1-δ)修 正。
[0013] 所述步驟(4)中在進行組合風(fēng)險評估時，將滿輪葉盤結(jié)構(gòu)避開全部危險振型看作 串聯(lián)模型，來計算滿輪葉盤結(jié)構(gòu)的避開共振的綜合可靠度
Pi為各危險振 型的可靠度，危險振型分別為第m，m+l，m+2，…，η階振型。
[0014] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:本發(fā)明滿輪葉盤結(jié)構(gòu)振動可靠性設(shè)計方法， 與傳統(tǒng)滿輪葉盤結(jié)構(gòu)確定性設(shè)計方法相比，全面考慮了載荷、材料和幾何尺寸等隨機因素 的分散性，量化了滿輪葉盤結(jié)構(gòu)振動的失效風(fēng)險，最后基于振動可靠性分析結(jié)果，對滿輪葉 盤結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。
【附圖說明】
[0015] 圖1 Campbell圖的不意圖；
[0016] 圖2為本發(fā)明的滿輪葉盤結(jié)構(gòu)振動可靠性設(shè)計方法流程圖。
【具體實施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明滿輪葉盤結(jié)構(gòu)振動可靠性設(shè)計方法的技術(shù)方案做進一步 說明。
[0018] 考慮載荷、材料和幾何等因素的分散性，結(jié)合滿輪葉盤結(jié)構(gòu)振動可靠性準(zhǔn)則，本發(fā) 明提的滿輪葉盤結(jié)構(gòu)振動可靠性設(shè)計方法，其流程見圖2。
[0019] (1)初始方案設(shè)計:首先開展初始方案設(shè)計，根據(jù)強度、氣動等要求確定結(jié)構(gòu)初步 形式，并使共振轉(zhuǎn)速不落在發(fā)動機設(shè)計工作轉(zhuǎn)速附近或者發(fā)動機在共振轉(zhuǎn)速下停留時間不 長;計算并確定初始方案的重量，為后續(xù)步驟提供重量初始量。
[0020] (2)確定性詳細設(shè)計:通過材料性能試驗或材料數(shù)據(jù)手冊，獲取滿輪葉盤結(jié)構(gòu)的材 料屬性，如彈性模量、泊松比、屈服應(yīng)力等;通過傳熱分析或?qū)嶋H測量，獲取結(jié)構(gòu)的溫度場； 使用ANSYS、ABA卵S等有限元軟件對滿輪葉盤結(jié)構(gòu)進行考慮預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析，獲得滿輪葉 盤結(jié)構(gòu)在不同轉(zhuǎn)速下各階振型的固有頻率;結(jié)合結(jié)構(gòu)前后的其他結(jié)構(gòu)形式，確定結(jié)構(gòu)的危 險激振源，進而確定Campbell圖所需倍頻線，如滿輪葉片前有20片導(dǎo)葉，則倍頻線為y = 20x/23i，其中X為橫軸轉(zhuǎn)速，y為縱軸頻率;根據(jù)各階振型的固有頻率與倍頻線繪制Campbel 1 圖，如