Uçak motorları, multidisipliner çapraz kesme ve çok bileşenli güçlü bir bağlantıya sahip tipik karmaşık mühendislik sistemleridir. Yüksek sıcaklık, yüksek basınç, yüksek hız ve çok alanlı yük/ortam altında çalışırlar ve yüksek itme, hafif, uzun ömür ve yüksek güvenilirlik gibi kullanım için son derece yüksek gereksinimleri karşılamalıdır. Geliştirmede büyük zorluk çeken aşırı ürünlerdir. Uçak motorlarının temel bileşeni olarak, rotor yapısının yapısal bütünlüğü ve güvenilirliği, uçak motoru tasarımındaki en zayıf bağlantılar ve motor gelişimini kısıtlayan darboğazdır.
Bir yandan, yapısal sistem sert ve karmaşık aerodinamik, mekanik ve termal yüklere tabi tutulurken, mekanik (gaz-heat-katı) malzemeler, süreçler ve diğer disiplinlerle etkileşir ve kısıtlanır; Öte yandan, yapısal yaşam büyük bir dağılım gösterirken, güvenli uçuş düşük bir arıza olasılığı gerektirir. Şu anda, geleneksel deterministik tasarım teknolojisi birçok zorlukla karşı karşıya. Olasılıksal tasarım, ince bir tasarım yöntemi olarak, güvenilirlik gereksinimlerini karşılarken riskleri ölçebilir, kilo azaltabilir ve maliyetleri azaltabilir. Gelişmiş uçak motoru geliştirmenin darboğazını çözmek için en umut verici teknolojilerden biridir. Motor Yapısal Tasarım Geliştirme
AeroEngine yapısal tasarımı, statik güç tasarımı, güvenli yaşam tasarımı, deterministik hasar tolerans tasarımı ve yapısal olasılıklı tasarım geliştirme sürecinden geçmiştir.
Statik kuvvet tasarımının ana başlangıç noktası, yapının verilen tasarım yükünün altında kırılmamasıdır; Kullanım yükünden sonra, boşaltıldıktan sonra görünür kalıcı deformasyon yoktur. Geçmişte uzun bir süre, küçük motor yükü nedeniyle, yapının stres seviyesi çok düşüktü ve yapısal ömür gereksinimleri yüksek değildi ve statik kuvvet tasarımı tasarım gereksinimlerini karşılayabilir.
1954'te İngiliz "Kuyruklu Yıldız" jet uçağı patladı ve denize düştü. Kazanın nedeni, uçak gövdesinin metal yapısının yorgunluk etkisinin neden olduğu kırık hasarıydı. Bu, statik mukavemete göre yapısal parçaların tasarlanmasının kullanımdaki güvenliklerini garanti edemeyeceğini ve güvenli hizmet ömrü sorununun yapısal tasarımda dikkate alınması gerektiğini göstermektedir. Kazadan sonra, uçak motorlarının yapısal tasarımında güvenlik yaşamı yöntemi benimsenmiştir.
Güvenli yaşam tasarımının öncüsü, yapının kusursuz sürekli tek tip bir gövde olduğunu varsaymaktır. Malzemenin belirli bir dağılımı olduğundan, mühendislikteki yapısal tasarım genellikle deneyler yoluyla yapının ortalama ömrünü belirler ve daha büyük bir dağılım katsayısı vermek için deneyimi birleştirir ve daha sonra yapının izin verilen ömrünü elde eder.
İngiliz Savunma Bakanlığı Standardı (def stan 00-971),% 99.87 güvenilirliğe sahip eğrinin (yani -3 σ) güvenli ömre karşılık gelen SN eğrisi olarak alınmasını gerektirir. Amerikan Havacılık Turbojet ve Turbofan motoru genel spesifikasyonu (MIL-E -5007 D), motorun tipik yapısının güvenli bir yaşam tasarımı benimsediğini ve malzemenin izin verilen gücü ve yaşam özelliklerinin -3}} 'ye dayandığını ve karşılık gelen güven seviyesinin%95'i, bkz. Amerika Birleşik Devletleri Federal Havacılık İdaresi (FAA), kompresörler ve türbin diskleri gibi rotor parçalarının ömrünün güvenli yaşam tasarımı yöntemi kullanılarak belirlenmesini gerektirir; Avrupa Ortak Havacılık Otoritesi'nin uçuşa elverişlilik düzenlemeleri, motor rotor parçalarının ömrünün güvenli yaşam yöntemi ile belirlenmesi gerektiğini de öngörmektedir.
Güvenli Yaşam Tasarımı yöntemi, motor yapısal malzemelerinin mekanik özelliklerinin dağılımını dikkate alır ve hizmet sırasında yapının güvenliğini sağlamak için olasılıksal bir perspektiften yüksek bir güvenilirlik oluşturur. Bununla birlikte, gerçek yapı inklüzyonlar, delikler (çatlaklar) ve boşluklar gibi başlangıç kusurlarını içermelidir. Bu nedenle, güvenli yaşam tasarımı yöntemi yapının güvenliğini ve güvenilirliğini garanti etmez;
Buna ek olarak, güvenli yaşam tasarımı çok muhafazakar bir tasarım yöntemidir. Mevcut% 95 güven seviyesi ve% 99.87 güvenilirlik altında, 1, 000 yapılarından sadece birinin belirtilen çatlaklara sahip olması ve diğer 999'un yorgunluk ömrüne ulaştığı ve hizmetten çekildiği ve büyük atıklarla sonuçlanması mümkündür. Güvenli yaşam yöntemi kullanılarak tasarlanan disklerin% 80'inden fazlasının hurdaya çıkarıldıktan sonra hala 10 kat veya daha fazla bir ömre sahip olduğu tahmin edilmektedir, bu nedenle daha ekonomik tasarım ve değerlendirme yöntemleri geliştirmek gerekir.
Deterministik hasar tolerans tasarımı, motor yapısı tasarımındaki güvenlik ve ekonomi sorunlarını çözebilir. Bu yöntem güvenli yaşam tasarımı yönteminden farklıdır. Malzemede kusurlar veya küçük çatlaklar olduğunu varsayar ve yorgunluk yüklerinin etkisi altında yavaş yavaş genişleyecek ve sonunda yapısal başarısızlığa yol açacaktır. Deterministik hasar tolerans tasarımı, yapının kullanım koşullarına, malzeme özelliklerine ve bakım gereksinimlerine göre yapının bakım döngüsünü ve izin verilen maksimum çatlak boyutunu belirler, yapısal malzeme kusurlarını ve hasar uzantısını makul bir aralıkta [7] kontrol eder ve motor yapısı bakımının ekonomik verimliliğini etkili bir şekilde geliştirir.
ABD Hava Kuvvetleri Motoru Yapısal Bütünlük Anahattı (MIL-STD -1783), tolerans tasarımının, testinin ve kontrolün, yapının bakım döngüsünü belirlemek için anahtar motor kırığı parçaları üzerinde gerçekleştirilmesi gerektiğini açıkça belirtmektedir. Bununla birlikte, deterministik hasar tolerans tasarımı yönteminin, çeşitli rastgele faktörlerin yaşam dispersiyonu üzerindeki etkisini doğru bir şekilde düşünmek zordur ve yapının başarısızlık olasılığını ve giriş parametrelerinin hassasiyetini doğru bir şekilde tahmin edemez.
Yukarıdaki motor yapısı tasarım sürecinde incelenen ve kurulan kriterler, yasalar ve yöntemlerin hepsi deterministiktir, yani malzeme özellikleri, üretim süreçleri, görev kullanımı ve diğer parametreler, yapının yorgunluk ömrünü doğru bir şekilde tahmin edemeyen sabit değerler kullanır. Bu nedenle, yapısal ağırlık, servis ömrü ve tasarım kriterlerini optimize etmek ve dengelemek zordur ve nicel bir güvenilirlik endeksi vermek imkansızdır. Güvenilirlikle yaşam gereksinimi, modern motor tasarımının önemli bir özelliğidir ve yapısal olasılık tasarımı, yapısal güvenilirliği sağlamak için önemli bir tasarım yöntemidir.
Yapısal olasılıklı tasarım yöntemi, yapının yapısına ve gerçek taşıma kapasitesine etki eden gerçek dış yükün hem olasılıksal miktarlar olduğuna inanmaktadır. Tasarım sırasında kesin değerler vermek imkansızdır. Bunlara belirli bir dağılıma uyan rastgele değişkenler veya rastgele süreçler denir. Bunu yapısal tasarımın başlangıç noktası olarak almak [10] nesnel gerçekliğe daha iyi uyabilir. Entegre Yüksek Performanslı Türbin Motor Teknolojisi Programının (IHPTET) araştırmasında ABD olasılıksal bir tasarım yöntemi önerdi ve rotor sistemi için yapısal tasarım rezervini kabul edilebilir bir güvenilirlik seviyesine indirgedi ve Şekil 2'de gösterildiği gibi, güvenlik ve çalışma kapasitesi arasında göreceli bir denge sağladı. Kilit teknolojilerden biri olarak bıçakların olasılık yüksek döngü yorgunluğu. ABD Motor Yapısal Bütünlük Programı (MIL-HDBK -1783 B), geleneksel güvenlik faktörü veya deterministik marj yerine olasılıksal tasarım marjının kullanılmasının bileşen tepkisindeki değişiklikleri daha doğru bir şekilde temsil edebileceğine dikkat çekti. Amerika Birleşik Devletleri'nin FAA'sı, sivil havacılık alanında yapısal olasılık tasarımının uygulanmasını teşvik ederek FAR33.14'ü uçuşa elverişlilik maddesi Far33.70 ile değiştirdi, yani olasılıksal hasar tolerans tasarımı, motor ömrü sınırlayıcı parçalar için gerçekleştirildi ve başarısızlık risk seviyesi tasarım hedefi riski ile karşılaştırılarak belirlendi.
Gelişmiş uçak motorlarının performans gereksinimlerini karşılamak için toz alaşımları, metaller arası bileşikler, seramik malzemeler, kompozit malzemeler vb. Gibi daha fazla yeni malzeme. Bu malzemeler, mukavemet, stres, yoğunluk vb. Gibi belirli özelliklerde geleneksel metal alaşımları üzerinde belirgin iyileştirmelere sahiptir, ancak malzeme özelliklerinde birçok belirsiz faktör ve yeni başarısızlık modu vardır ve deterministik tasarım yöntemlerinin kullanımı büyük sapmalar üretecektir. Bu nedenle, yeni malzemeler, yeni yapılar ve yeni proses sistemleri altında tipik motor yapıları için olasılık tasarım yöntemlerinin benimsenmesi daha gereklidir. Tipik motor yapılarının olasılık tasarımı için temel teknolojiler
1. Rastgele faktörlerin olasılıksal modeli (1) Yük dağılım uçak motorları, özellikle askeri motorlar, mekanik yükler, aerodinamik yükler ve sıcaklık yükleri gibi motor yapısının çalışma yüklerinin büyük bir dağılmasına neden olan seyir, basit stuntlar, karmaşık stuntlar, oluşumlar, saldırı ve müdahale gibi çok sayıda uçuş görevini tamamlamalıdır. Motor yükü olasılık modelinin kurulmasının yük spektrumu işleme teknolojisi ile birleştirilmesi gerekir ve motor yük spektrumu ve yapısal yük spektrumu gibi hasar dönüşüm prensibi incelenmelidir. Motor alanı uçuş yük spektrumunu ve test spektrumunu toplayarak ve işleyerek, tipik motor yapısının zaman içinde yük varyasyon yasası elde edilir ve istatistiksel teori, tipik motor yapısının çalışma yükü olasılığını belirlemek için kullanılır.
(2) Malzeme Dispersiyon Motor yapısal malzemelerinin hazırlama işlemindeki farklılıklar, malzeme mekanik performans parametrelerinin (elastik model, Poisson oranı, stres-gerinim eğrisi vb.) Dispersiyonuna yol açar; Aynı zamanda, işleme teknolojisinin karmaşıklığı nedeniyle, tipik motor yapısının farklı bölümlerinin malzeme özellikleri de önemli ölçüde farklıdır. Bu nedenle, deneylerle doğrulanan bir olasılık modeli oluşturmak için standart malzeme örneklerinin test verilerinin ve yapının farklı kısımlarının karakteristik simülasyon kısımlarını birleştirmek gerekir.
Örneğin, malzeme döngüsel stres-gerinim ilişkisinin dağılımı ile başa çıkmak için, suş elastik suş bileşenlerine ve plastik gerinim bileşenlerine ayrılabilir ve sırasıyla elastik suş bileşenlerinin, plastik gerinim bileşenlerinin ve gerilimin doğrusal denklemleri oluşturulur. Yukarıdaki denklemler randomize edilmiştir ve siklik stres-gerinim olasılık modeli, Şekil 3'te gösterildiği gibi regresyon yöntemi ile oluşturulmuştur. (3) Proses dispersiyon işlemi dağılım, malzeme hazırlama, işleme yöntemleri ve tespit teknolojisi gibi rastgele faktörlerin neden olduğu yapısal dispersiyonu ifade eder.
İlk kusur rastgelelik. Dövme, döküm ve sıcak izostatik presleme gibi malzeme hazırlama yöntemleri için, Şekil 4'te gösterildiği gibi, inklüzyonlar, delikler ve materyaldeki boşluklar gibi başlangıç kusurlarının sayısı, konumu ve boyutu rastgeledir. Bu nedenle, yüzey/alt yüz/iç kusurlar için eşdeğer hasar karakterizasyon yöntemleri geliştirmek gerekir ve farklı bir kusur modelini oluşturmak ve farklı bir kusurlu olasılık modeli oluşturmak gerekir. Geometrik Boyut Rastgelelik. Mekanik işleme teknolojisinin istikrarsızlığı nedeniyle tipik motor yapılarının geometrik boyutları rastgeledir. Bu amaçla, duyarlılık analizi yoluyla tipik motor yapılarının temel geometrik boyut parametrelerini belirlemek ve olasılık dağılım özelliklerini belirlemek için temel geometrik boyutlar hakkında istatistikler yapmak gerekir.
Artık stres rastgelelik. Motor yapısı yüzey işlem teknolojisi (atış peening, lazer güçlendirme gibi), ısıl işlem teknolojisi (katı çözelti, yaşlanma gibi) ve diğer işlemler (doğrusal sürtünme kaynağı, elektron ışını kaynağı gibi) gibi işleme teknolojisinin dengesizliği, yüzeyde ve yapının içinde rastgele artık strese yol açar. Kalıntı stresin olasılık modelinin sayısal simülasyon, süreç denetimi ve matematiksel istatistiklerle sistematik olarak incelenmesi gerekir.
Kusur tespit teknolojisinin rastgeleliği. Farklı tespit teknolojileri, minimum tespit edilebilir kusurun boyutu ve konumunda rastgeleliğe yol açar. Bu rastgeleliği tanımlamak için kusur tespiti (POD) olasılığı (POD) eklenmiştir. Yeterli kusur tipleri, boyutları ve pozisyonları olan hasarlı örnekler hazırlayarak, kusur tespit testleri yaparak ve tespit verilerinin matematiksel bir modelini oluşturarak, algılama teknolojisinin POD eğrisi istatistiksel işleme ile elde edilir.
2. Tipik Motor Yapısı Tipik motor yapıları (türbin bıçak yapıları gibi), gaz-ısı-katı çoklu alanların karmaşık alternatif yüklerine/ortamlarına tabi tutulur ve bunların başarısızlık modları çoğunlukla yorulma-düzlemli yorgunluk, termekanik yorgunluk, yüksek-düşük döngü bileşimi modeline dayanan, kompozit başarısızlık prospites pastigue, vb. Deneyler, motor yapılarının olasılık tasarımı için önemli bir teknoloji haline gelmiştir. Karmaşık yükler/ortamlar altında tipik motor yapılarının kompozit arıza modunun mekanizmasını ortaya çıkarmak ve karşılık gelen kompozit yorgunluk ömrü tahmin yöntemlerini geliştirmek için teorik araştırmaların deneysel doğrulama ile yakından birleştirmek gerekir. Yüklerin, malzemelerin ve işlemlerin dağılımı ile birleştirildiğinde, deneylerle doğrulanan tipik motor yapılarının kompozit yorgunluk arızası olasılık modeli oluşturulmuştur.
Pekin Havacılık ve Astronotikler Üniversitesi yapısal güç ve multidisipliner optimizasyon araştırma grubu, WP7 motorunun yüksek basınçlı türbin diskini (GH33'ten yapılmış) bir dizi olasılık model ve tasarım yöntemleri, yorgunluk-cüzdanı arıza modları dahil olmak üzere, çatlaklar da dahil olmak üzere, çatlaklar da dahil olmak üzere bir dizi olasılık model ve tasarım yöntemleri, türg oluşturma, türklü bir şekilde doğru hale getirir, iki yapım. Tasarım uygulamaları için özellikler (Şekil 5). 3. Yapısal Olasılık Yanıt Analizi Teknolojisi
Tipik motor yapılarının olasılık tasarımı birçok disiplini ve karmaşık yapıyı içerir. Yapısal başarısızlık olasılığını/güvenilirliğini çözmek için doğrudan sayısal yöntemler kullanmak çok uzun hesaplama süresine neden olacaktır. Bu nedenle, yapısal bir olasılık tepki analizi yönteminin oluşturulması, tipik motor yapılarının olasılık tasarımı için temel bir teknolojidir.
Şu anda, Monte Carlo yöntemi ile birleştirilen yanıt yüzeyi yöntemi, yapısal olasılık analizinde büyük hesaplama problemini çözmek için tipik motor yapıları için uygun bir dizi yüksek verimli ve yüksek hassasiyetli yanıt analizi yöntemleri geliştirilmiştir. Latin hipercube yöntemi, yarı monte carlo yöntemi, Latin sentroid örnekleme ve önemli örnekleme gibi örnekleme yöntemleri kullanılabilir; Nöral ağı, Kriging Modeli ve Destek Vektör Makinesi gibi yaklaşık modelleme yöntemleri seçilebilir (Şekil 6).
4. Rastgele faktör duyarlılık analizi
Rastgele faktörlerin duyarlılık analizi yoluyla, bir yandan, yapısal yaşamın dağılımını etkileyen ana faktörler belirlenebilir ve tipik motor yapılarının olasılık tasarımı için bir tasarım temeli sağlar; Öte yandan, yapısal olasılık tasarımında düşük duyarlılık göstergeleri olan rastgele değişkenler deterministik parametrelere işlenebilir, böylece hesaplama süresinden tasarruf edilebilir ve çözüm verimliliğini artırabilir; Ana rastgele faktörlerin dağılmasına odaklanmak, yapısal başarısızlık olasılığının/güvenilirliğinin çözelti doğruluğunu artırmada diğer faktörlerden daha doğrudan ve anlamlıdır.
5. Motor Tipik Yapı Olasılık Tasarım Sistemi Ülkemin havacılık motoru malzeme süreç sistemini hedefleyen, havacılık motoru oluşturan, bağımsız fikri mülkiyet haklarına sahip tipik yapı olasılık tasarım platformu da motor yapısı olasılık tasarımı için temel bir teknolojidir. Motor yapısı olasılık tasarım platformunun gerçekleştirilmesi çok sayıda yinelemeli hesaplama gerektirir. Hesaplama işlemi sırasında geometrik modeldeki her değişiklik, ağ ve sınır koşulları gibi analiz verilerinin buna göre değişmesine neden olacaktır. Bu nedenle, geometrik model ve analiz modeli arasındaki bağlantı teknolojisi, ağın otomatik olarak yeniden yapılandırılması ve ağın otomatik yüklenmesi çözülmesi gereken teknik zorluklardır.
Örneğin, Beihang Üniversitesi'nin yapısal güç ve multidisipliner optimizasyon araştırma grubu, esnek çok blok örgüler oluşturmak için karmaşık geometrik yapıların yerini almak için sanal bloklar kullanır, geometrik yapının optimizasyon yinelemesinde örgü yeniden yapılandırılması, multidispiner optimizasyonunda multidispiner optimizasyonda (multisipin optimizasyonunda), multidispiner optimizasyonda (multakin optimizasyonda) kısıtlamaları getirir ( Şekil 7'de gösterildiği gibi, Ulusal Savunma 973 programının desteğiyle, Beihang Üniversitesi yapısal güç ve multidisipliner optimizasyon araştırma grubu, türbin disklerinin deterministik tasarım sürecine dayanan bir türbin disk olasılık tasarım süreci önerdi ve oluşturdu ve başlangıçta Çin'de ilk türbin disk yapısal probabilistik tasarım sistemini (TPD'ler) oluşturdu. Yük spektrumu işleme, rastgele değişken işleme, geometrik modelleme, arıza modu analizi ve tasarım karar vermesinin ana işlevlerini içerir ve Şekil 8'de gösterildiği gibi UG, ANSYS ve MATLAB gibi ticari yazılımı entegre eder.
Tipik motor yapılarının olasılık tasarım teknolojisi, gelişmiş motor araştırma ve geliştirme darboğazını çözmek için en umut verici temel teknolojilerden biri haline gelmiştir. Çin'deki ileri aero-motorların kilit kısımlarının geliştirilmesinde yavaş yavaş kullanılıyor. Yerel olarak uygulandı ve etki gösterilmeye başlıyor. Gelişimin bir sonraki adımında, aşağıdaki araştırma çalışmasının derinleştirilmesi ve güçlendirilmesi gerekmektedir.
1. Malzeme-işlem yapısı Olasılıksal Entegre Tasarım Yapısal Tasarım, Malzeme ve Süreç Entegrasyonu ve Yinelemesi, ileri aero-motor gelişimi seviyesini iyileştirmek için temel yollardır. Motor yapısal olasılık tasarım teknolojisinin etkili uygulaması, malzeme ve süreçlerin entegre değerlendirilmesinden ayrılamaz. Bu nedenle, motor yapılarının olasılıksal tasarımının tasarım kaynağından başlaması, motor yapılarının güvenilirliği üzerindeki tipik yapısal üretime duyarlı parametrelerin etki mekanizmasını ve düzenli olarak düzenlenmesini ortaya koymalı ve üretim hassas parametrelerini entegre eden ve böylece motor malzemesi entegre tasarımının teorisini ve yöntemini oluşturan olasılıksal bir tasarım yöntemini oluşturmalıdır.
2. Güvenilirliğe Dayalı Çok Disiplinli Optimizasyon Tasarımı Aero-motorların yapısal tasarımı, aerodinamik, malzeme, ısı transferi, yapı ve güç gibi birçok disiplini içerir. Disiplinler birbirleriyle birleştirilir. Tek bir disiplinin olasılık tasarımı, tasarlanan yapının kullanım güvenilirlik gereksinimlerini karşıladığını garanti edemez.
