Gaisa kuģu dzinēji ir tipiskas sarežģītas inženiertehniskās sistēmas ar daudznozaru šķērsgriezumu un daudzkomponentu spēcīgu savienojumu. Tie darbojas augstā temperatūrā, augstā spiedienā, lielā ātrumā un vairāku lauku slodzē/vidē, un tiem ir jāatbilst ārkārtīgi augstām prasībām lietošanai, piemēram, augsts vilces spēks, viegls svars, ilgs kalpošanas laiks un augsta uzticamība. Tie ir ekstrēmi produkti ar lielām grūtībām attīstībā. Kā gaisa kuģu motoru pamatkomponents, rotora struktūras strukturālā integritāte un uzticamība ir vājākās saites gaisa kuģu motora projektēšanā un sašaurinājums, kas ierobežo motora attīstību.
No vienas puses, konstrukcijas sistēma tiek pakļauta skarbām un sarežģītām aerodinamiskām, mehāniskām un termiskām slodzēm, savukārt mehānika (gāzes karstuma) mijiedarbojas un ierobežo ar materiāliem, procesiem un citām disciplīnām; No otras puses, strukturālā dzīve parāda lielisku izkliedi, savukārt drošam lidojumam nepieciešama maza kļūmju varbūtība. Šajā laikā tradicionālā deterministiskā dizaina tehnoloģija saskaras ar daudziem izaicinājumiem. Varbūtības dizains kā smalka dizaina metode var kvantitatīvi noteikt riskus, samazināt svaru un samazināt izmaksas, izpildot uzticamības prasības. Tā ir viena no daudzsološākajām galvenajām tehnoloģijām, lai atrisinātu uzlabotās gaisa kuģu motora attīstības sašaurinājumu. Motora konstrukcijas projektēšanas attīstība
Aeroengīna konstrukcijas dizains ir izgājis statiskās stiprības dizaina attīstības procesu, drošas dzīves dizainu, deterministisko bojājumu tolerances dizainu un strukturālu varbūtības dizainu.
Galvenais statiskās stiprības dizaina sākumpunkts ir tas, ka struktūra nesadalās zem dotās projektēšanas slodzes; Pēc lietošanas slodzes pēc izkraušanas nav redzamu pastāvīgu deformāciju. Ilgu laiku pagātnē, mazās motora slodzes dēļ, konstrukcijas stresa līmenis bija ļoti zems, un prasības strukturālajai dzīvei nebija augsta, un statiskās stiprības dizains varēja atbilst projektēšanas prasībām.
1954. gadā britu "komēta" reaktīvā lidmašīna eksplodēja un ietriecās jūrā. Negadījuma cēlonis bija lūzumu bojājumi, ko izraisīja gaisa kuģa fizelāžas metāla struktūras noguruma iedarbība. Tas parāda, ka konstrukcijas detaļu izstrāde atbilstoši statiskajam spēkam nevar garantēt to drošību, un droša kalpošanas laika problēma ir jāapsver konstrukcijas dizainā. Pēc negadījuma gaisa kuģu dzinēju konstrukcijas projektēšanā tika izmantota drošības dzīves metode.
Drošas dzīves dizaina priekšnoteikums ir pieņemt, ka struktūra ir nepārtraukts vienmērīgs korpuss bez defektiem. Tā kā materiālam ir noteikta izkliede, inženierzinātņu konstrukcijas dizains bieži nosaka struktūras vidējo dzīvi, izmantojot eksperimentus, un apvieno pieredzi, lai iegūtu lielāku izkliedes koeficientu, un pēc tam iegūst pieļaujamo struktūras dzīvi.
Lielbritānijas Aizsardzības ministrijas standarts (Def Stan 00-971) pieprasa, lai līkne ar uzticamību 99,87% (ti, -3 σ) tiktu uzskatīta par SN līkni, kas atbilst drošajai dzīvei. Amerikāņu aviācijas turbojeta un turbofāna motora vispārējā specifikācija (mil-e {-5007 d) nosaka, ka motora tipiskā struktūra izmanto drošu dzīvības dizainu, un pieļaujamās izturības un dzīves īpašības ir balstītas uz -3 σ, un atbilstošais konfausi ir 95%, sk. Amerikas Savienoto Valstu aviācijas administrācija (FAA) prasa, lai rotora detaļu, piemēram, kompresoru un turbīnu diskus, dzīvi noteiktu, izmantojot droša dzīvības dizaina metodi; Eiropas Apvienotās aviācijas pārvaldes JAR-E Gaisa preču darījuma noteikumi arī noteica, ka motora rotora detaļu kalpošanas laiks jānosaka ar drošas dzīves metodi.
Drošas dzīves projektēšanas metodē tiek ņemta vērā motora konstrukcijas materiālu mehānisko īpašību izkliedēšana un tā nodrošina augstu uzticamību no varbūtības viedokļa, lai nodrošinātu struktūras drošību pakalpojuma laikā. Tomēr faktiskajā struktūrā jābūt sākotnējiem defektiem, piemēram, ieslēgumiem, caurumiem (plaisām) un dobumiem. Tāpēc drošas dzīves projektēšanas metode negarantē struktūras drošību un uzticamību;
Turklāt drošas dzīves dizains ir ļoti konservatīva dizaina metode. Saskaņā ar pašreizējo 95% ticamības līmeni un 99,87% ticamību ir iespējams, ka tikai vienai no 1, 000 struktūrām būs norādītas plaisas, bet arī pārējās 999 ir sasniegušas noguruma dzīvi un izņemšanu no apkalpošanas, kā rezultātā tiek iegūti lieli atkritumi. Tiek lēsts, ka vairāk nekā 80% disku, kas veidots, izmantojot drošas dzīvības metodi, pēc metāllūžņiem joprojām ir 10 reizes vai vairāk, tāpēc ir jāizstrādā ekonomiskākas projektēšanas un novērtēšanas metodes.
Deterministiskā bojājumu tolerances dizains var atrisināt drošības un ekonomikas problēmas motora struktūras projektēšanā. Šī metode atšķiras no drošas dzīves projektēšanas metodes. Tiek pieņemts, ka materiālā ir defekti vai nelielas plaisas, un tās pakāpeniski paplašināsies, iedarbojoties no noguruma slodzes, galu galā izraisot strukturālu kļūmi. Deterministiskā bojājumu tolerances konstrukcija nosaka struktūras uzturēšanas ciklu un maksimālo pieļaujamo plaisas lielumu, pamatojoties uz struktūras lietošanas apstākļiem, materiāla īpašībām un uzturēšanas prasībām, kontrolē strukturālo materiālu defektus un bojājuma pagarinājumu saprātīgā diapazonā [7] un efektīvi uzlabo motora struktūras uzturēšanas ekonomisko efektivitāti.
ASV gaisa spēku motora konstrukcijas integritātes kontūra (Mil-Std -1783) skaidri norāda, ka, lai noteiktu konstrukcijas uzturēšanas ciklu, jāveic bojājumu tolerances dizains, pārbaude un vadība. Tomēr deterministiskās bojājumu tolerances projektēšanas metodi ir grūti precīzi apsvērt dažādu nejaušu faktoru ietekmi uz dzīves izkliedei un nevar precīzi paredzēt struktūras kļūmes varbūtību un ieejas parametru jutīgumu.
Iepriekš minētajā motora struktūras projektēšanas procesā pētītie un noteikti kritēriji, likumi un metodes ir deterministiski, tas ir, materiālu īpašības, ražošanas procesi, misijas izmantošana un citi parametri izmanto fiksētas vērtības, kas nevar precīzi paredzēt struktūras noguruma kalpošanas laiku. Tāpēc ir grūti optimizēt un līdzsvarot strukturālo svaru, kalpošanas un dizaina kritērijus, un nav iespējams dot kvantitatīvu uzticamības indeksu. Dzīves prasība ar uzticamību ir ievērojama moderna motora dizaina iezīme, un strukturālais varbūtības dizains ir svarīga dizaina metode, lai nodrošinātu strukturālo uzticamību.
Strukturālā varbūtības projektēšanas metode uzskata, ka faktiskā ārējā slodze, kas darbojas uz struktūras un faktisko struktūras spēju, ir varbūtības daudzumi. Dizaina laikā nav iespējams dot precīzas vērtības. Tos sauc par nejaušiem mainīgajiem vai nejaušiem procesiem, kas ievēro noteiktu sadalījumu. Uztverot to par strukturālā dizaina sākumpunktu [10], var labāk atbilst objektīvajai realitātei. Integrētās augstas veiktspējas turbīnu motoru tehnoloģiju programmas (IHPTET) izpētē Amerikas Savienotās Valstis ierosināja varbūtības dizaina metodi un izveidoja rotora sistēmas varbūtības projektēšanas sistēmu (PDS), kas samazināja strukturālā dizaina rezervi līdz pieņemamai uzticamības līmenim un nodrošināja relatīvu līdzsvaru starp drošību un darba spēju, kā parādīts 2. attēlā. Varbūtības asmeņu nogurums ar augstu ciklu kā vienu no galvenajām tehnoloģijām. ASV motora konstrukcijas integritātes programma (MIL-HDBK -1783 b) arī norādīja, ka, izmantojot varbūtības dizaina malu, nevis tradicionālā drošības faktora vai deterministiskās robežas, var precīzāk atspoguļot komponenta reakcijas izmaiņas. Amerikas Savienoto Valstu FAA ir veicinājis strukturālā varbūtības dizaina pielietojumu civilās aviācijas jomā, aizstājot FAR33.14 ar gaisa prečuvienības klauzulu FAR33.70, tas ir, varbūtības bojājuma tolerances dizains tiek veikts motora dzīves ierobežošanas daļām, un neveiksmes riska līmenis tiek noteikts, salīdzinot ar mērķa risku.
Lai izpildītu uzlabotu gaisa kuģu motoru veiktspējas prasības, pastāvīgi parādās arvien vairāk jaunu materiālu, piemēram, pulvera sakausējumi, starpmetāliski savienojumi, keramikas materiāli, kompozītmateriāli utt. Šiem materiāliem ir acīmredzami uzlabojumi salīdzinājumā ar tradicionālajiem metāla sakausējumiem noteiktās īpašībās, piemēram, stiprumā, stresā, blīvumā utt., Bet to materiāla īpašībās ir daudz nenoteiktu faktoru un jaunu kļūmju režīmu, un deterministisko projektēšanas metožu izmantošana radīs lielas novirzes. Tāpēc ir vairāk nepieciešams izmantot varbūtības dizaina metodes tipiskām motoru struktūrām ar jauniem materiāliem, jaunām struktūrām un jaunām procesu sistēmām. Galvenās tehnoloģijas tipisko motoru konstrukciju varbūtības projektēšanai
1. Nejaušu faktoru varbūtības modelis (1) Slodzes izkliedes gaisa kuģu dzinēji, īpaši militārie dzinēji, ir jāpabeidz liels skaits lidojumu misiju, piemēram, kruīza, vienkārši triki, sarežģīti triki, veidojumi, uzbrukums un pārtveršana, kā rezultātā tiek izveidota liela motora struktūras darba slodze, piemēram, mehāniskas slodzes, aerodinamiskās slodzes un temperatūras slodzes. Motora slodzes varbūtības modeļa izveidošana jāapvieno ar slodzes spektra apstrādes tehnoloģiju, un jāizpēta bojājuma konvertēšanas princips, piemēram, motora slodzes spektrs un konstrukcijas slodzes spektrs. Apkopojot un apstrādājot motora lauka lidojuma slodzes spektru un testa spektru, tiek iegūts tipiskās motora struktūras slodzes variācijas likums laika gaitā, un statistiskā teorija tiek izmantota, lai noteiktu tipiskās motora struktūras darba slodzes varbūtības statistiskās īpašības.
(2) Materiāla izkliede Motora konstrukcijas materiālu sagatavošanas procesa atšķirības noved pie materiāla mehāniskās veiktspējas parametru izkliedēšanas (piemēram, elastīgais modelis, Puasona attiecība, stresa celšanas līkne utt.); Tajā pašā laikā apstrādes tehnoloģijas sarežģītības dēļ arī dažādu tipiskās motora struktūras daļu materiālu īpašības ir ievērojami atšķirīgas. Tāpēc ir nepieciešams apvienot standarta materiālu paraugu testa datus un dažādu struktūras daļu raksturīgās simulācijas daļas, lai izveidotu eksperimentus pārbaudītu varbūtības modeli.
Piemēram, lai rīkotos ar materiāla cikliskā stresa un deformācijas attiecību izkliedi, celmu var sadalīt elastīgās celma komponentos un plastmasas celma komponentos un elastīgo celma komponentu, plastmasas celma komponentu un stresa lineāros vienādojumus. Iepriekš minētie vienādojumi ir randomizēti, un cikliskā stresa un deformācijas varbūtības modelis tiek noteikts ar regresijas metodi, kā parādīts 3. attēlā. (3) Procesa izkliedes procesa izkliede attiecas uz strukturālo izkliedi, ko izraisa nejauši faktori, piemēram, materiāla sagatavošana, apstrādes metodes un noteikšanas tehnoloģija.
Sākotnējā defekta nejaušība. Materiālu sagatavošanas metodēm, piemēram, kalšanai, liešanai un karstai izostatiskai presēšanai, sākotnējo defektu skaits, pozīcija un lielums, piemēram, ieslēgumi, caurumi un dobumi, ir visi nejauši, kā parādīts 4. attēlā. Tāpēc ir jāizstrādā ekvivalenta bojājumu raksturošanas metodes virsmas/zemes struktūrai/iekšējiem defektiem un jāizveido defekta varbūtības modelis tipiskai dzinējam. Ģeometriskā dimensijas nejaušība. Tipisko motoru struktūru ģeometriskie izmēri ir nejauši mehāniskās apstrādes tehnoloģijas nestabilitātes dēļ. Šajā nolūkā ir jānosaka tipisko motoru struktūru galvenie ģeometriskās dimensijas parametri, izmantojot jutīguma analīzi, un jāveic statistika par galvenajām ģeometriskajām dimensijām, lai noteiktu to varbūtības sadalījuma īpašības.
Atlikušās stresa nejaušība. Apstrādes tehnoloģijas nestabilitāte, piemēram, motora struktūras virsmas apstrādes tehnoloģija (piemēram, šāvienu, lāzera stiprināšana), termiskās apstrādes tehnoloģija (piemēram, ciets šķīdums, novecošana) un citi procesi (piemēram, lineārā berzes metināšana, elektronu staru metināšana) noved pie nejauša atlikuma stresa uz virsmas un struktūras iekšpusē. Atlikušā stresa varbūtības modelis sistemātiski jāizpēta, izmantojot skaitlisko simulāciju, procesu pārbaudi un matemātisko statistiku.
Defektu noteikšanas tehnoloģijas nejaušība. Dažādas noteikšanas tehnoloģijas noved pie nejaušības noteikšanas minimālā nosakāmā defekta lieluma un stāvokļa. Lai aprakstītu šo nejaušību, tiek ieviesta defektu noteikšanas varbūtība (POD). Sagatavojot bojātus paraugus ar pietiekamiem defektu veidiem, izmēriem un pozīcijām, veicot defektu noteikšanas testus un izveidojot noteikšanas datu matemātisko modeli, noteikšanas tehnoloģijas POD līkne tiek iegūta, izmantojot statistisko apstrādi.
2. Tipiska motora struktūra Tipiskas motora struktūras (piemēram, turbīnu asmeņu struktūras) ir pakļautas sarežģītām mainīgām slodzēm/videi, kas ir cieta daudzfunkcionāli, un to atteices režīmi lielākoties ir saliktas noguruma kļūmes, piemēram, noguruma-CREEP, termomehāniska noguruma iespējamība, augstas zarnas modeļa modelim, kas paredzēts sarežģītām, utt. Eksperimenti ir kļuvuši par galveno tehnoloģiju motora struktūru varbūtības projektēšanai. Ir nepieciešams cieši apvienot teorētiskos pētījumus ar eksperimentālu verifikāciju, lai atklātu tipisko motora struktūru kompozītmateriāla kļūmes režīma mehānismu ar sarežģītām slodzēm/vidi un izstrādātu atbilstošas kompozītmateriāla noguruma dzīves prognozēšanas metodes. Apvienojumā ar slodzes, materiālu un procesu izkliedi, tiek izveidots kompozītu noguruma atteices varbūtības modelis, kas pārbaudīts eksperimentos.
Pekinas Aeronautikas un astronautikas un astronautikas strukturālās izturības un daudzdisciplinārās optimizācijas pētījumu grupā tiek ņemts vērā WP7 motora (izgatavots no GH33 izgatavots no GH33) augstspiediena turbīnu disku, lai izpētītu un izstrādātu varbūtības modeļu un projektēšanas metodes, kas tiek pārbaudītas, ja vien, ja vien, ja tiek veikti plaisas, kas saistīti ar diviem bojājumiem, kas saistīti ar plaisu, un no tiem ir jāpārbauda. Projektēšanas lietojumprogrammu īpašības (5. attēls). 3. Strukturālā varbūtības reakcijas analīzes tehnoloģija
Tipisko motoru struktūru varbūtības dizains ir saistīts ar daudzām disciplīnām un sarežģītām struktūrām. Tieši izmantojot skaitliskas metodes, lai atrisinātu strukturālās mazspējas varbūtību/uzticamību, būs pārāk ilgs aprēķina laiks. Tāpēc strukturālas varbūtības reakcijas analīzes metodes izveidošana ir galvenā tehnoloģija tipisko motoru struktūru varbūtības projektēšanai.
Pašlaik reakcijas virsmas metode, kas apvienota ar Montekarlo metodi, bieži tiek izmantota struktūras varbūtības reakcijas analīzes veikšanai, un, lai atrisinātu masīva aprēķina problēmu strukturālās varbūtības analīzē, tiek izstrādāts augstas efektivitātes un augstas precizitātes varbūtības reakcijas analīzes metožu kopums. Var izmantot paraugu ņemšanas metodes, piemēram, latīņu hiperkuba metodi, kvazi-monte karlo metodi, latīņu centra paraugu ņemšanu un svarīgu paraugu ņemšanu; Var izvēlēties aptuvenās modelēšanas metodes, piemēram, neironu tīklu, kriginga modeli un atbalsta vektora mašīnu (6. attēls).
4. Nejauša faktora jutības analīze
Izmantojot nejaušu faktoru jutīguma analīzi, no vienas puses, var noteikt galvenos faktorus, kas ietekmē strukturālās dzīves izkliedi, nodrošinot tipisko motora struktūru varbūtības projektēšanas dizainu; No otras puses, nejaušus mainīgos ar zemu jutības indikatoriem struktūras varbūtības projektēšanā var apstrādāt deterministiskos parametros, tādējādi ietaupot aprēķina laiku un uzlabojot šķīduma efektivitāti; Koncentrēšanās uz galveno nejaušo faktoru izkliedi ir tiešāka un nozīmīgāka nekā citi faktori, lai uzlabotu strukturālās mazspējas varbūtības/uzticamības risinājumu precizitāti.
5. Motora tipiskā struktūras varbūtības projektēšanas sistēma, kuras mērķis ir manas valsts aviācijas motora materiālu procesu sistēma, Aviācijas motora tipiskās struktūras varbūtības projektēšanas platformas izveidošana ar neatkarīgām intelektuālā īpašuma tiesībām ir arī galvenā tehnoloģija motora struktūras varbūtības projektēšanai. Motora struktūras varbūtības dizaina platformas realizācijai ir nepieciešams liels skaits iteratīvo aprēķinu. Katra ģeometriskā modeļa izmaiņas aprēķināšanas procesā izraisīs analīzes datus, piemēram, acs un robežnosacījumus attiecīgi mainīties. Tāpēc savienojuma tehnoloģija starp ģeometrisko modeli un analīzes modeli, acs automātisko rekonstrukciju un automātisko acu iekraušanu ir tehniskas grūtības, kas jāatrisina.
Piemēram, Beihangas universitātes strukturālā izturības un daudzdisciplinārā optimizācijas pētījumu grupa izmanto virtuālos blokus, lai aizstātu sarežģītas ģeometriskās struktūras, lai izveidotu elastīgas vairāku bloku acis, ievieš sekotāju punktu ierobežojumus, lai panāktu ģeometrisko struktūru optimizācijas optimizācijas optimizācijas procesā (tiro, kas ir tile. Kā parādīts 7. attēlā. Ar Nacionālās aizsardzības 973 programmas atbalstu Beihangas universitātes strukturālā spēka un daudznozaru optimizācijas pētījumu grupa ierosināja un izveidoja turbīnu disku varbūtības projektēšanas procesu, kas balstīts uz turbīnu disku deterministisko projektēšanas procesu, un sākotnēji izveidoja pirmo turbīnu disku strukturālo varbūtības dizaina sistēmu (TPDS) Ķīnā. Tas ietver galvenās slodzes spektra apstrādes funkcijas, nejaušas mainīgas apstrādes, ģeometriskās modelēšanas, kļūmes režīma analīzes un dizaina lēmumu pieņemšanas un integrē tādas komerciālas programmatūras, piemēram, UG, ANSYS un MATLAB, kā parādīts 8. attēlā.
Tipisko motoru struktūru varbūtības dizaina tehnoloģija ir kļuvusi par vienu no daudzsološākajām galvenajām tehnoloģijām, lai atrisinātu progresīvas motora izpētes un attīstības sašaurinājumu. Tas pakāpeniski tiek izmantots progresīvo aerožingīnu galveno daļu izstrādē Ķīnā. Tas ir izmantots uz vietas, un efekts sāk parādīties. Nākamajā attīstības posmā ir jāstiprina un jāstiprina šāds pētniecības darbs.
1. Materiālu procesa un struktūras varbūtības integrēta dizaina konstrukcijas dizains, materiāla un procesu integrācija un iterācija ir pamatceļi, lai uzlabotu uzlabotas aero dzinēja attīstības līmeni. Motoru strukturālās varbūtības dizaina tehnoloģijas efektīva pielietošana nav atdalāma no materiālu un procesu integrētās apsvēruma. Tāpēc motora konstrukciju varbūtības projektēšanai jāsāk no dizaina avota, jāatklāj tipisko strukturālo ražošanas jutīgo parametru ietekmes mehānisms un regulāra regulēšana motora konstrukciju ticamībai un veido varbūtīgu dizaina metodi tipiskām motora struktūrām, kas integrē ražošanas jutīgus parametrus, tādējādi nosakot dizainu un metodi, kas ir motora materiāla process-procesa, iespējams, iespējams, izstrādāts.
2. Daudznozaru optimizācijas dizains, kas balstīts uz uzticamību, aerožīnu strukturālais dizains ir saistīts ar daudzām disciplīnām, piemēram, aerodinamiku, materiāliem, siltuma pārnesi, struktūru un izturību. Disciplīnas ir savienotas viena ar otru. Vienas disciplīnas varbūtības dizains nevar garantēt, ka projektētā struktūra atbilst lietošanas uzticamības prasībām.
