Los motores de aeronaves son sistemas de ingeniería complejos típicos con un corte transversal multidisciplinario y un acoplamiento sólido de múltiples componentes. Trabajan a alta temperatura, alta presión, alta velocidad y carga/entorno de múltiples campos, y deben cumplir con requisitos extremadamente altos para su uso, como alto empuje, peso ligero, vida larga y alta confiabilidad. Son productos extremos con gran dificultad en el desarrollo. Como componente central de los motores de aeronaves, la integridad estructural y la confiabilidad de la estructura del rotor son los enlaces más débiles en el diseño del motor de la aeronave y el cuello de botella que restringe el desarrollo del motor.
Por un lado, el sistema estructural está sujeto a cargas aerodinámicas, mecánicas y térmicas duras y complejas, mientras que la mecánica (gasolina-sólida) interactúa y limita con materiales, procesos y otras disciplinas; Por otro lado, la vida estructural muestra una gran dispersión, mientras que el vuelo seguro requiere una baja probabilidad de falla. En este momento, la tecnología de diseño determinista tradicional enfrenta muchos desafíos. El diseño probabilístico, como método de diseño fino, puede cuantificar los riesgos, reducir el peso y reducir los costos al tiempo que cumple con los requisitos de confiabilidad. Es una de las tecnologías clave más prometedoras para resolver el cuello de botella del desarrollo avanzado del motor de aviones. Desarrollo de diseño estructural del motor
El diseño estructural aeroengine ha pasado por el proceso de desarrollo del diseño de la fuerza estática, el diseño de la vida segura, el diseño de tolerancia de daño determinista y el diseño probabilístico estructural.
El principal punto de partida del diseño de la fuerza estática es que la estructura no se rompe bajo la carga de diseño dada; Después de la carga de uso, no hay una deformación permanente visible después de la descarga. Durante mucho tiempo en el pasado, debido a la pequeña carga del motor, el nivel de estrés de la estructura fue muy bajo, y los requisitos para la vida estructural no fueron altos, y el diseño de resistencia estática podría cumplir con los requisitos de diseño.
En 1954, el avión a Jet British "Comet" explotó y se estrelló en el mar. La causa del accidente fue el daño por fractura causado por el efecto de fatiga de la estructura metálica del fuselaje de la aeronave. Esto muestra que el diseño de piezas estructurales de acuerdo con la fuerza estática no puede garantizar su seguridad en uso, y el problema de la vida útil segura debe considerarse en el diseño estructural. Después del accidente, el método de vida de seguridad se adoptó en el diseño estructural de motores de aeronaves.
La premisa del diseño de la vida segura es suponer que la estructura es un cuerpo uniforme continuo sin defectos. Debido a que el material tiene una cierta dispersión, el diseño estructural en ingeniería a menudo determina la vida promedio de la estructura a través de experimentos, y combina experiencia para dar un coeficiente de dispersión más grande, y luego obtiene la vida útil permitida de la estructura.
El estándar del Ministerio de Defensa Británico (def stan 00-971) requiere que la curva con una fiabilidad del 99.87% (es decir, -3 σ) se tome como la curva SN correspondiente a la vida segura. La especificación general del motor de la aviación estadounidense y el motor de turbofan (MIL-E -5007 d) estipula que la estructura típica del motor adopta un diseño de vida seguro, y la fuerza permitida y las características de la vida del material se basan en -3} σ, y el nivel de confianza correspondiente es 95%, ver la figura 1. En los términos de los términos del aeronave civil, el aercentria del aire, el aerventamiento del aercentria, el cláusula de la aeronaves, el aervoltewhild ácido, y el nivel de confianza correspondiente es el nivel de confianza de la figura 1. La Administración de Aviación (FAA) de los Estados Unidos requiere que la vida de las piezas del rotor, como los compresores y los discos de turbina, se determine utilizando el método de diseño de vida seguro; Las regulaciones de aeronavegabilidad JAR-E de la Autoridad Europea de Aviación Conjunta también estipulan que la vida útil de las piezas del rotor del motor debe determinarse mediante el método de vida segura.
El método de diseño de vida seguro tiene en cuenta la dispersión de las propiedades mecánicas de los materiales estructurales del motor, y establece una alta confiabilidad desde una perspectiva probabilística para garantizar la seguridad de la estructura durante el servicio. Sin embargo, la estructura real debe contener defectos iniciales, como inclusiones, agujeros (grietas) y cavidades. Por lo tanto, el método de diseño de vida seguro no garantiza la seguridad y confiabilidad de la estructura;
Además, el diseño de la vida segura es un método de diseño muy conservador. Bajo el nivel actual de confianza del 95% y el 99.87% de confiabilidad, es posible que solo una de las estructuras 1, {4}} tenga las grietas especificadas, y también se considere que las otras 999 alcancen la vida de la fatiga y se retiren del servicio, lo que resulta en grandes desechos. Se estima que más del 80% de los discos diseñados utilizando el método de vida seguro todavía tienen una vida de 10 veces o más después de ser desechados, por lo que es necesario desarrollar métodos de diseño y evaluación más económicos.
El diseño determinista de tolerancia al daño puede resolver los problemas de seguridad y economía en el diseño de la estructura del motor. Este método es diferente del método de diseño de vida segura. Se supone que hay defectos o pequeñas grietas en el material, y se expandirán gradualmente bajo la acción de las cargas de fatiga, lo que eventualmente conduce a una falla estructural. El diseño de tolerancia al daño determinista determina el ciclo de mantenimiento y el tamaño máximo de grietas permitidas de la estructura en función de las condiciones de uso, las propiedades del material y los requisitos de mantenimiento de la estructura, controla los defectos del material estructural y la extensión de daño dentro de un rango razonable [7], y mejora de manera efectiva la eficiencia económica del mantenimiento de la estructura del motor.
El esquema de integridad estructural del motor de la Fuerza Aérea de EE. UU. (MIL-STD -1783) establece claramente que el diseño, las pruebas y el control de la tolerancia al daño se deben realizar en piezas clave de fractura del motor para determinar el ciclo de mantenimiento de la estructura. Sin embargo, el método de diseño de tolerancia al daño determinista es difícil de considerar con precisión el impacto de varios factores aleatorios en la dispersión de la vida, y no puede predecir con precisión la probabilidad de falla de la estructura y la sensibilidad de los parámetros de entrada.
Los criterios, leyes y métodos estudiados y establecidos en el proceso de diseño de la estructura del motor anterior son todos deterministas, es decir, propiedades del material, procesos de fabricación, uso de la misión y otros parámetros utilizan valores fijos, que no pueden predecir con precisión la vida útil de la fatiga de la estructura. Por lo tanto, es difícil optimizar y equilibrar el peso estructural, la vida útil y los criterios de diseño, y es imposible dar un índice de confiabilidad cuantitativa. El requisito de vida con confiabilidad es una característica destacada del diseño moderno del motor, y el diseño probabilístico estructural es un método de diseño importante para garantizar la confiabilidad estructural.
El método de diseño probabilístico estructural cree que la carga externa real que actúa sobre la estructura y la capacidad de carga real de la estructura son cantidades probabilísticas. Es imposible dar valores precisos durante el diseño. Se llaman variables aleatorias o procesos aleatorios, que obedecen una cierta distribución. Tomar esto como punto de partida para el diseño estructural [10] puede ajustarse mejor a la realidad objetiva. En la investigación del Programa integrado de tecnología de motores de turbinas de alto rendimiento (IHPTET), Estados Unidos propuso un método de diseño probabilístico y estableció un sistema de diseño probabilístico (PDS) para el sistema de rotor, que redujo la reserva de diseño estructural a un nivel de confiabilidad de confiabilidad aceptable y garantizó una seguridad relativa entre la seguridad y la capacidad de trabajo, como se muestra en la figura 2. Después del programa IHPTET, el programa de visión económica de visión de visión multifurbe, el programa de visión de vibración (Capacidad de trabajo), lo que se está lanzando (Capacidad de trabajo), (Capacidad de trabajo). La fatiga probabilística de ciclo alto de las cuchillas como una de las tecnologías clave. El programa de integridad estructural del motor de EE. UU. (MIL-HDBK -1783 b) también señaló que el uso del margen de diseño probabilístico en lugar del factor de seguridad tradicional o el margen determinista puede representar con mayor precisión los cambios en la respuesta de los componentes. La FAA de los Estados Unidos ha promovido la aplicación del diseño probabilístico estructural en el campo de la aviación civil, reemplazando FAR33.14 con la cláusula de aeronavegabilidad FAR33.70, es decir, el diseño de tolerancia a daños probabilísticos se lleva a cabo para las piezas que limitan la vida del motor, y el nivel de riesgo de falla se determina al comparar el riesgo de diseño.
Para cumplir con los requisitos de rendimiento de los motores avanzados de aviones, cada vez más materiales nuevos, como aleaciones de polvo, compuestos intermetálicos, materiales cerámicos, materiales compuestos, etc. Estos materiales tienen mejoras obvias sobre las aleaciones de metales tradicionales en ciertas propiedades, como la resistencia, el estrés, la densidad, etc., pero hay muchos factores inciertos y nuevos modos de falla en sus propiedades del material, y el uso de métodos de diseño deterministas producirá grandes desviaciones. Por lo tanto, es más necesario adoptar métodos de diseño probabilísticos para estructuras típicas del motor bajo nuevos materiales, nuevas estructuras y nuevos sistemas de proceso. Tecnologías clave para el diseño probabilístico de estructuras de motor típicas
1. Modelo probabilístico de factores aleatorios (1) Los motores de aeronaves de dispersión de carga, especialmente los motores militares, tienen que completar una gran cantidad de misiones de vuelo, como cruceros, acrobacias simples, acrobacias complejas, formaciones, ataque e intercepción, lo que resulta en una gran dispersión de las cargas de trabajo de la estructura del motor, como cargas mecánicas, cargas aerodinámicas y cargas de temperatura. El establecimiento del modelo de probabilidad de carga del motor debe combinarse con la tecnología de procesamiento del espectro de carga, y se debe estudiar el principio de conversión de daños, como el espectro de carga del motor y el espectro de carga estructural. Al recopilar y procesar el espectro de carga de vuelo de campo del motor y el espectro de prueba, se obtiene la ley de variación de carga de la estructura del motor típica a lo largo del tiempo, y la teoría estadística se utiliza para establecer las características estadísticas de probabilidad de carga de trabajo de la estructura del motor típica.
(2) Dispersión del material Las diferencias en el proceso de preparación de los materiales estructurales del motor conducen a la dispersión de los parámetros de rendimiento mecánico del material (como el modelo elástico, la relación de Poisson, la curva de tensión-deformación, etc.); Al mismo tiempo, debido a la complejidad de la tecnología de procesamiento, las propiedades del material de diferentes partes de la estructura del motor típica también son significativamente diferentes. Por lo tanto, es necesario combinar los datos de prueba de muestras de material estándar y partes de simulación característica de diferentes partes de la estructura para establecer un modelo de probabilidad verificado por experimentos.
Por ejemplo, para lidiar con la dispersión de la relación material de tensión cíclica cíclica, la tensión puede descomponerse en componentes de tensión elástica y componentes de tensión plástica, y las ecuaciones lineales de componentes de deformación elástica, los componentes de tensión de plástico y la tensión se establecen respectivamente. Las ecuaciones anteriores son aleatorizadas y el modelo de probabilidad de tensión cíclica se establece mediante el método de regresión, como se muestra en la Figura 3. (3) Dispersión del proceso La dispersión del proceso se refiere a la dispersión estructural causada por factores aleatorios como la preparación de materiales, los métodos de procesamiento y la tecnología de detección.
Defecto inicial aleatoriedad. Para los métodos de preparación de materiales, como la forja, la fundición y la presión isostática en caliente, el número, la posición y el tamaño de los defectos iniciales, como las inclusiones, los agujeros y las cavidades en el material, son aleatorios, como se muestra en la Figura 4. Por lo tanto, es necesario desarrollar métodos de caracterización de daño equivalente para defectos superficiales/subsuperficiales/internos y establecer un modelo de probabilidad de defectos para estructuras de motores típicos en diferentes regiones. Dimensión geométrica aleatoriedad. Las dimensiones geométricas de las estructuras del motor típicas son aleatorias debido a la inestabilidad de la tecnología de procesamiento mecánico. Con este fin, es necesario determinar los parámetros de dimensión geométrica clave de las estructuras típicas del motor a través del análisis de sensibilidad, y realizar estadísticas sobre las dimensiones geométricas clave para establecer sus características de distribución de probabilidad.
Aleatoriedad de estrés residual. La inestabilidad de la tecnología de procesamiento, como la tecnología de tratamiento de la superficie de la estructura del motor (como el peinamiento de disparos, el fortalecimiento del láser), la tecnología de tratamiento térmico (como la solución sólida, el envejecimiento) y otros procesos (como la soldadura de fricción lineal, la soldadura del haz de electrones) conduce a un estrés residual aleatorio en la superficie y dentro de la estructura. El modelo de probabilidad de estrés residual debe estudiarse sistemáticamente a través de la simulación numérica, la inspección del proceso y las estadísticas matemáticas.
Aleatoriedad de la tecnología de detección de defectos. Las diferentes tecnologías de detección conducen a la aleatoriedad en el tamaño y la posición del defecto mínimo detectable. La probabilidad de detección de defectos (POD) se introduce para describir esta aleatoriedad. Al preparar muestras dañadas con suficientes tipos de defectos, tamaños y posiciones, realizando pruebas de detección de defectos y estableciendo un modelo matemático de los datos de detección, la curva POD de la tecnología de detección se obtiene mediante procesamiento estadístico.
2. Estructura típica del motor Las estructuras del motor típicas (como las estructuras de la cuchilla de la turbina) están sujetas a cargas/entornos alternos complejas de los campos múltiples sólidos de gas de gas, y sus modos de falla son en su mayoría fallas compuestas de fatiga, como el modelo de fatiga de fatiga, el motor de la fatiga de la fatiga termomecánica, el ciclo de altura alta en el ciclo de ciclo, eth. Experiments se ha convertido en una tecnología clave para el diseño probabilístico de las estructuras del motor. Es necesario combinar de cerca la investigación teórica con la verificación experimental para revelar el mecanismo del modo de falla compuesta de las estructuras típicas del motor en cargas/entornos complejos y desarrollar métodos de predicción de vida de fatiga compuesta correspondientes. Combinado con la dispersión de cargas, materiales y procesos, se establece un modelo de probabilidad de falla por fatiga compuesta de las estructuras típicas del motor que ha sido verificado por experimentos.
The Structural Strength and Multidisciplinary Optimization Research Group of Beijing University of Aeronautics and Astronautics takes the high-pressure turbine disk of the WP7 engine (made of GH33) as the object to study and develop a set of probability models and design methods for fatigue-creep coupling failure modes of turbine disks that have been verified by experiments, including two damage stages of crack formation and crack propagation, from material Propiedades para diseñar aplicaciones (Figura 5). 3. Tecnología de análisis de respuesta probabilística estructural
El diseño probabilístico de las estructuras del motor típicas implica muchas disciplinas y estructuras complejas. El uso directo de métodos numéricos para resolver la probabilidad/confiabilidad de falla estructural dará como resultado un tiempo de cálculo demasiado largo. Por lo tanto, establecer un método de análisis de respuesta probabilística estructural es una tecnología clave para el diseño probabilístico de estructuras de motor típicas.
En la actualidad, el método de superficie de respuesta combinado con el método Monte Carlo a menudo se usa para realizar un análisis de respuesta de probabilidad estructural, y un conjunto de métodos de análisis de respuesta de probabilidad de alta eficiencia y alta precisión adecuados para estructuras de motor típicas se desarrollan para resolver el problema del cálculo masivo en el análisis de probabilidad estructural. Se pueden usar métodos de muestreo como el método de hipercube latino, el método cuasi-monte carlo, el muestreo de centroides latinos y el muestreo importante; Se pueden seleccionar métodos de modelado aproximado como la red neuronal, el modelo Kriging y la máquina vectorial de soporte (Figura 6).
4. Análisis de sensibilidad al factor aleatorio
A través del análisis de sensibilidad de factores aleatorios, por un lado, los principales factores que afectan la dispersión de la vida estructural se pueden determinar, proporcionando una base de diseño para el diseño probabilístico de las estructuras del motor típicas; Por otro lado, las variables aleatorias con indicadores de baja sensibilidad en el diseño de probabilidad estructural pueden procesarse en parámetros deterministas, ahorrando así el tiempo de cálculo y mejorando la eficiencia de la solución; Centrarse en la dispersión de los principales factores aleatorios es más directo y significativo que otros factores para mejorar la precisión de la solución de la probabilidad/confiabilidad de falla estructural.
5. Motor El sistema de diseño de probabilidad de estructura típica que apunta al sistema de proceso de material de motor de aviación de mi país, estableciendo una plataforma de diseño de probabilidad de estructura típica de Aviation Engine con derechos de propiedad intelectual independientes también es una tecnología clave para el diseño de probabilidad de estructura del motor. La realización de la plataforma de diseño probabilístico de estructura del motor requiere una gran cantidad de cálculos iterativos. Cada cambio en el modelo geométrico durante el proceso de cálculo hará que los datos de análisis, como la malla y las condiciones de contorno, cambien en consecuencia. Por lo tanto, la tecnología de conexión entre el modelo geométrico y el modelo de análisis, la reconstrucción automática de la malla y la carga automática de la malla son dificultades técnicas que deben resolverse.
For example, the structural strength and multidisciplinary optimization research group of Beihang University uses virtual blocks to replace complex geometric structures to establish flexible multi-block meshes, introduces the constraints of follower points to achieve the mesh reconstruction of the geometric structure in the optimization iteration, and solves the high-precision mesh problem in the multidisciplinary optimization (MDO) process of turbine blades, Como se muestra en la Figura 7. Con el apoyo del Programa National Defense 973, la fuerza estructural y el grupo de investigación de optimización multidisciplinaria de la Universidad de Beihang propusieron y estableció un proceso de diseño probabilístico de disco de disco de turbina basado en el proceso de diseño determinista de los discos de turbina, y inicialmente estableció el primer sistema de diseño probabilístico estructural de disco de turbina (TPD) en China. Incluye las funciones principales del procesamiento del espectro de carga, el procesamiento de variables aleatorios, el modelado geométrico, el análisis del modo de falla y la toma de decisiones de diseño, e integra software comercial como UG, ANSYS y MATLAB, como se muestra en la Figura 8. Varios aspectos que deben estudiarse más a fondo
La tecnología de diseño probabilístico de las estructuras de motor típicas se ha convertido en una de las tecnologías clave más prometedoras para resolver el cuello de botella de investigación y desarrollo avanzado de motores. Se está utilizando gradualmente en el desarrollo de partes clave de los motores aerodinámicos avanzados en China. Se ha aplicado localmente y el efecto comienza a mostrar. En el siguiente paso del desarrollo, el siguiente trabajo de investigación debe ser profundo y fortalecido.
1. Material-Process Estructura Probabilística Diseño integrado Diseño estructural, material y integración e iteración de procesos son las rutas fundamentales para mejorar el nivel de desarrollo avanzado de motor aerodinámico. La aplicación efectiva de la tecnología de diseño probabilístico estructural del motor es inseparable de la consideración integrada de materiales y procesos. Por lo tanto, el diseño probabilístico de las estructuras del motor debe comenzar a partir de la fuente de diseño, revelar el mecanismo de influencia y la regulación regular de los parámetros sensibles a la fabricación estructural típicos en la confiabilidad de las estructuras del motor y formar un método de diseño probabilístico de estructuras de motor típicas de los parámetros sensibles a la fabricación, estableciendo la teoría y el método del diseño de diseño integrado de productos de fabricación.
2. Diseño de optimización multidisciplinaria basado en la confiabilidad El diseño estructural de los motores aerodinámicos implica muchas disciplinas como aerodinámica, materiales, transferencia de calor, estructura y resistencia. Las disciplinas se combinan entre sí. El diseño probabilístico de una sola disciplina no puede garantizar que la estructura diseñada cumpla con los requisitos de uso de confiabilidad.
