Els motors d’avions són sistemes d’enginyeria complexos típics amb un tall creuat multidisciplinari i un acoblament fort multi-component. Funcionen a alta temperatura, alta pressió, alta velocitat i càrrega/entorn de diversos camps, i han de complir els requisits extremadament elevats per a l’ús com ara l’empenta elevada, el pes lleuger, la vida llarga i la fiabilitat alta. Són productes extrems amb una gran dificultat en el desenvolupament. Com a component principal dels motors d’avions, la integritat estructural i la fiabilitat de l’estructura del rotor són els enllaços més febles del disseny del motor d’avions i el coll d’ampolla que restringeix el desenvolupament del motor.
D’una banda, el sistema estructural està sotmès a càrregues aerodinàmiques, mecàniques i tèrmiques dures i complexes, mentre que la mecànica (gas-calor) interacciona i es restringeix amb materials, processos i altres disciplines; D'altra banda, la vida estructural mostra una gran dispersió, mentre que el vol segur requereix una baixa probabilitat de fracàs. En aquest moment, la tecnologia de disseny determinista tradicional té molts reptes. El disseny probabilístic, com a mètode de disseny fi, pot quantificar els riscos, reduir el pes i reduir els costos mentre compleix els requisits de fiabilitat. És una de les tecnologies clau més prometedores per resoldre el coll d’ampolla del desenvolupament avançat del motor d’avions. Desenvolupament de disseny estructural del motor
El disseny estructural AeroEngine ha passat pel procés de desenvolupament del disseny de la força estàtica, el disseny de la vida segura, el disseny determinista de la tolerància als danys i el disseny probabilístic estructural.
El punt de partida principal del disseny de la força estàtica és que l'estructura no es trenca sota la càrrega de disseny donada; Després de la càrrega d’ús, no hi ha una deformació permanent visible després de la descàrrega. Durant molt de temps en el passat, a causa de la petita càrrega del motor, el nivell de tensió de l’estructura era molt baix i els requisits per a la vida estructural no eren alts i el disseny de la força estàtica podria complir els requisits de disseny.
El 1954, el avió de jet "Cometa" britànic va explotar i es va estavellar al mar. La causa de l'accident va ser el dany de la fractura causat per l'efecte de fatiga de l'estructura metàl·lica del fuselatge de l'avió. Això demostra que el disseny de parts estructurals segons la força estàtica no pot garantir la seva seguretat en ús i el problema de la vida del servei segura s’ha de tenir en compte en el disseny estructural. Després de l'accident, es va adoptar el mètode de vida de seguretat en el disseny estructural dels motors d'avió.
La premissa del disseny de la vida segura és suposar que l'estructura és un cos uniforme continu sense defectes. Com que el material té una certa dispersió, el disseny estructural de l’enginyeria sovint determina la vida mitjana de l’estructura mitjançant experiments i combina experiència per donar un coeficient de dispersió més gran i després obté la vida admissible de l’estructura.
L’estàndard del Ministeri de Defensa britànic (Def Stan 00-971) requereix que es prengui la corba amb una fiabilitat del 99,87% (és a dir -3 σ) com a corba SN corresponent a la vida segura. L’especificació general de l’aviació nord-americana turbojet i turbofan del motor general (Mil-e -5007 d) estipula que l’estructura típica del motor adopta un disseny de vida segur, i les característiques de força i vida admissibles del material es basen en -3 σ i el corresponent nivell de confiança és del 95%, vegeu la figura 1. En termes de l’avió civil, la clàusula de l’avió FAR 33.14 que es fa el nivell federal que es fa per la clàusula de l’avió FAR 33 L’administració d’aviació (FAA) dels Estats Units requereix que la vida de les parts del rotor com els compressors i els discos de la turbina es determini mitjançant el mètode de disseny de vida segur; El Reglament de Airworthiness Jar-e de l'Autoritat Europea de l'aviació conjunta també estipula que la vida de les parts del rotor del motor ha de ser determinada pel mètode de vida segura.
El mètode de disseny de vida segur té en compte la dispersió de les propietats mecàniques dels materials estructurals del motor i estableix una alta fiabilitat des d’una perspectiva probabilística per assegurar la seguretat de l’estructura durant el servei. Tanmateix, l'estructura real ha de contenir defectes inicials com ara inclusions, forats (esquerdes) i cavitats. Per tant, el mètode de disseny de vida segur no garanteix la seguretat i la fiabilitat de l’estructura;
A més, el disseny de la vida segura és un mètode de disseny molt conservador. Sota el nivell de confiança del 95% actual i el 99,87% de fiabilitat, és possible que només una de les estructures 000 tingui les esquerdes especificades, i també es considerarà que l’altra 999 hagi arribat a la vida de fatiga i es retiri del servei, donant lloc a grans residus. Es calcula que més del 80% dels discos dissenyats amb el mètode de vida segura encara tenen una vida de deu vegades o més després de ser desballestat, per la qual cosa és necessari desenvolupar mètodes de disseny i avaluació més econòmics.
El disseny determinista de tolerància als danys pot solucionar els problemes de seguretat i economia en el disseny de l'estructura del motor. Aquest mètode és diferent del mètode de disseny de la vida segura. Suposa que hi ha defectes o petites esquerdes en el material i s’expandiran gradualment sota l’acció de les càrregues de fatiga, provocant finalment una insuficiència estructural. Disseny de tolerància determinista de danys determina el cicle de manteniment i la mida màxima de la fissura admissible de l'estructura basada en les condicions d'ús, les propietats del material i els requisits de manteniment de l'estructura, controla els defectes del material estructural i l'extensió de danys en un rang raonable [7] i millora eficaçment l'eficiència econòmica del manteniment de l'estructura del motor.
El contorn d’integritat estructural del motor de la Força Aèria dels Estats Units (MIL-STD -1783) afirma que el disseny, les proves i el control de la tolerància als danys s’ha de dur a terme a les parts de fractura del motor clau per determinar el cicle de manteniment de l’estructura. Tanmateix, el mètode de disseny de la tolerància dels danys determinista és difícil considerar amb precisió l’impacte de diversos factors aleatoris en la dispersió de la vida i no pot predir amb precisió la probabilitat de fallada de l’estructura i la sensibilitat dels paràmetres d’entrada.
Els criteris, les lleis i els mètodes estudiats i establerts en el procés de disseny de l'estructura del motor anterior són tots deterministes, és a dir, propietats materials, processos de fabricació, ús de la missió i altres paràmetres utilitzen valors fixos, que no poden predir amb precisió la vida de fatiga de l'estructura. Per tant, és difícil optimitzar i equilibrar el pes estructural, la vida útil i els criteris de disseny i és impossible donar un índex de fiabilitat quantitativa. El requisit de vida amb fiabilitat és una característica destacada del disseny modern del motor, i el disseny probabilístic estructural és un mètode de disseny important per assegurar la fiabilitat estructural.
El mètode de disseny probabilístic estructural creu que la càrrega externa real que actua sobre l'estructura i la capacitat de suport real de l'estructura són quantitats probabilístiques. És impossible donar valors precisos durant el disseny. S’anomenen variables aleatòries o processos aleatoris, que obeeixen una determinada distribució. Prendre això com a punt de partida del disseny estructural [10] es pot ajustar millor a la realitat objectiva. En la investigació del Programa Integrat de Tecnologia de Motor de Turbines d’alt rendiment (IHPTET), els Estats Units van proposar un mètode de disseny probabilístic i van establir un sistema de disseny probabilístic (PDS) per al sistema de rotor, que va reduir la reserva de disseny estructural a un nivell de fiabilitat acceptable i va assegurar un equilibri relatiu entre la seguretat i la capacitat de treball, tal com es mostra a la figura 2. Després del programa IHPTET, el programa de turbina avançat. Fatiga de fulles probabilístiques d’alt cicle com una de les tecnologies clau. El programa d’integritat estructural del motor dels Estats Units (MIL-HDBK -1783 b) també va assenyalar que l’ús de marge de disseny probabilístic en lloc del factor de seguretat tradicional o el marge determinista pot representar amb més precisió els canvis en la resposta dels components. La FAA dels Estats Units ha promogut l’aplicació d’un disseny probabilístic estructural en el camp de l’aviació civil, substituint FAR33.14 per la clàusula de l’aire de l’aire lliure FAR33.70, és a dir, el disseny de la tolerància dels danys probabilístics es realitza per a les parts que limiten la vida del motor i el nivell de risc de fracàs es determina comparant el risc de destinació.
Per tal de complir els requisits de rendiment dels motors avançats d’avions, cada vegada són més nous materials nous com ara aliatges de pols, compostos intermetàlics, materials de ceràmica, materials compostos, etc. Aquests materials tenen millores òbvies sobre els aliatges tradicionals de metalls en determinades propietats com la força, l’estrès, la densitat, etc., però hi ha molts factors incerts i nous modes de fallada en les seves propietats materials i l’ús de mètodes de disseny determinista produirà grans desviacions. Per tant, és més necessari adoptar mètodes de disseny probabilístics per a estructures típiques del motor sota nous materials, noves estructures i nous sistemes de processos. Tecnologies clau per al disseny probabilístic d’estructures típiques del motor
1. Model probabilístic de factors aleatoris (1) Els motors d’avió de dispersió de càrrega, especialment els motors militars, han de completar un gran nombre de missions de vol com ara creuers, acrobàcies senzilles, acrobàcies complexes, formacions, atac i intercepció, donant lloc a una gran dispersió de les càrregues de treball de l’estructura del motor, com ara càrregues mecàniques, càrregues aerodinàmiques i càrrega de temperatura. S'ha de combinar l'establiment del model de probabilitat de càrrega del motor amb la tecnologia de processament de l'espectre de càrrega i s'ha d'estudiar el principi de conversió de danys com l'espectre de càrrega del motor i l'espectre de càrrega estructural. En recollir i processar l’espectre de càrrega de vol del camp i l’espectre de prova, s’obté la llei de variació de càrrega de l’estructura del motor típic al llarg del temps i s’utilitza la teoria estadística per establir les característiques estadístiques de la probabilitat de càrrega de l’estructura típica del motor.
(2) Dispersió de materials Les diferències en el procés de preparació dels materials estructurals del motor condueixen a la dispersió de paràmetres de rendiment mecànic de material (com el model elàstic, la relació de Poisson, la corba de tensió-tensió, etc.); Al mateix temps, a causa de la complexitat de la tecnologia de processament, les propietats del material de diferents parts de l'estructura del motor típic també són significativament diferents. Per tant, és necessari combinar les dades de prova d’exemplars de material estàndard i parts de simulació característiques de diferents parts de l’estructura per establir un model de probabilitat verificat per experiments.
Per exemple, per fer front a la dispersió de la relació de tensió cíclica de materials, la soca es pot descompondre en components de tensió elàstica i components de tensió de plàstic i s’estableixen equacions lineals de components de tensió elàstica, components de tensió plàstica i estrès respectivament. Les equacions anteriors són aleatòries i el model de probabilitat de tensió cíclica s’estableix mitjançant mètode de regressió, tal com es mostra a la figura 3. (3) La dispersió del procés de dispersió del procés es refereix a la dispersió estructural causada per factors aleatoris com la preparació de materials, els mètodes de processament i la tecnologia de detecció.
Aleatorietat inicial del defecte. Per a mètodes de preparació de materials com la forja, la colada i la premsa isostàtica calenta, el nombre, la posició i la mida dels defectes inicials com ara inclusions, forats i cavitats del material són totes aleatòries, com es mostra a la figura 4. Per tant, és necessari desenvolupar mètodes de caracterització de danys equivalents per a superfícies/subfectes/interiors i establir un model de probabilitat de defecte per a estructures del motor típiques en diferents regions. Dimensió geomètrica aleatòria. Les dimensions geomètriques de les estructures del motor típiques són aleatòries a causa de la inestabilitat de la tecnologia de processament mecànic. Per a això, és necessari determinar els paràmetres de dimensió geomètrica clau de les estructures del motor típiques mitjançant l’anàlisi de la sensibilitat i realitzar estadístiques sobre les dimensions geomètriques clau per establir les seves característiques de distribució de probabilitats.
L’atzar de l’estrès residual. La inestabilitat de la tecnologia de processament com la tecnologia de tractament de la superfície de l’estructura del motor (com ara el peening de tir, l’enfortiment del làser), la tecnologia de tractament tèrmic (com la solució sòlida, l’envelliment) i altres processos (com la soldadura de fricció lineal, la soldadura de feixos d’electrons) condueix a l’estrès residual aleatori a la superfície i dins de l’estructura. Cal estudiar sistemàticament el model de probabilitat d’estrès residual mitjançant simulació numèrica, inspecció de processos i estadístiques matemàtiques.
Aleatòria de la tecnologia de detecció de defectes. Diferents tecnologies de detecció condueixen a l'atzar en la mida i la posició del defecte mínim detectable. S’introdueix la probabilitat de detecció de defectes (POD) per descriure aquesta aleatorietat. Mitjançant la preparació d’exemplars danyats amb tipus, mides i posicions suficients de defectes, realitzant proves de detecció de defectes i establint un model matemàtic de les dades de detecció, la corba de la tecnologia de detecció s’obté mitjançant processament estadístic.
2. Estructura del motor típic Estructures típiques del motor (com les estructures de la fulla de la turbina) estan sotmeses a càrregues/entorns complexes de múltiples camps sòlid Els experiments s’ha convertit en una tecnologia clau per al disseny probabilístic d’estructures del motor. Cal combinar de prop la investigació teòrica amb la verificació experimental per revelar el mecanisme del mode de fallada composta de les estructures del motor típiques en càrregues/ambients complexos i desenvolupar mètodes de predicció de vida compostes de fatiga compostes. Combinat amb la dispersió de càrregues, materials i processos, s’estableix un model de probabilitat de fallida de fatiga composta de les estructures del motor típiques que s’han verificat per experiments.
La força estructural i el grup d’investigació d’optimització multidisciplinària de la Universitat d’Aeronàutica i Astronautica de Beijing Aeronàutica i Astronautica pren el disc de turbina d’alta pressió del motor WP7 (fet de GH33) com a objecte per estudiar i desenvolupar un conjunt de models de probabilitats i mètodes de disseny per a la fatiga-escopin Propietats per dissenyar aplicacions (figura 5). 3. Tecnologia d’anàlisi de resposta probabilística estructural
El disseny probabilístic d’estructures típiques del motor implica moltes disciplines i estructures complexes. L'ús directament de mètodes numèrics per resoldre la probabilitat/fiabilitat de fallades estructurals donarà lloc a un temps de càlcul massa llarg. Per tant, establir un mètode d’anàlisi de resposta probabilística estructural és una tecnologia clau per al disseny probabilístic de les estructures típiques del motor.
Actualment, el mètode de la superfície de resposta combinat amb el mètode de Montecarlo s’utilitza sovint per realitzar una anàlisi de resposta de probabilitat estructural i es desenvolupen un conjunt de mètodes d’anàlisi de resposta de probabilitat d’alta eficiència i d’alta precisió adequats per a estructures del motor típiques per resoldre el problema de càlcul massiu en l’anàlisi de probabilitats estructurals. Es pot utilitzar mètodes de mostreig com el mètode d’hipercubs llatí, el mètode Quasi-Monte Carlo, el mostreig de centroids llatins i el mostreig important; Es poden seleccionar mètodes de modelatge aproximat com la xarxa neuronal, el model de kriging i la màquina vectorial de suport (figura 6).
4. Anàlisi de sensibilitat al factor aleatori
Mitjançant l’anàlisi de sensibilitat de factors aleatoris, d’una banda, es poden determinar els principals factors que afecten la dispersió de la vida estructural, proporcionant una base de disseny per al disseny probabilístic d’estructures típiques del motor; D'altra banda, les variables aleatòries amb indicadors de baixa sensibilitat en el disseny de probabilitats estructurals es poden processar en paràmetres deterministes, estalviant el temps de càlcul i millorant l'eficiència de la solució; Centrar -se en la dispersió dels principals factors aleatoris és més directe i significatiu que altres factors per millorar la precisió de la solució de la probabilitat/fiabilitat de la fallada estructural.
5. Sistema de disseny de probabilitats de l'estructura típica del motor El sistema de processos de materials d'aviació del meu país, establir un motor d'aviació en el motor de disseny de probabilitats de l'estructura típica amb drets de propietat intel·lectual independent és també una tecnologia clau per al disseny de la probabilitat de l'estructura del motor. La realització de la plataforma de disseny probabilístic de l'estructura del motor requereix un gran nombre de càlculs iteratius. Cada canvi en el model geomètric durant el procés de càlcul farà que les dades d’anàlisi com la malla i les condicions del límit canviïn en conseqüència. Per tant, la tecnologia de connexió entre el model geomètric i el model d’anàlisi, la reconstrucció automàtica de la malla i la càrrega automàtica de la malla són dificultats tècniques que cal resoldre.
Per exemple, el grup de recerca estructural de força i optimització multidisciplinària de la Universitat de Beihang utilitza blocs virtuals per substituir les estructures geomètriques complexes per establir malles multi-blocs flexibles, introdueix les restriccions de punts de seguidors per aconseguir la reconstrucció de malla de l’estructura geomètrica en la iteració d’optimització i soluciona el problema de malla d’alta precisió en l’optimització multidisciplinària (MDO) de la desgràcia de la desgràcia de la combinació (MDO) de la combinació de la combinació (MDO) de la combinació (MDO) de la combinació de la combinació (MDO) de la combinació (MDO). Com es mostra a la figura 7. Amb el suport del programa de defensa nacional 973, el grup de recerca estructural de força i optimització multidisciplinària de la Universitat de Beihang va proposar i va establir un procés de disseny probabilístic de disc de turbina basat en el procés de disseny determinista dels discos de turbines i va establir inicialment el primer sistema de disseny probabilista de disc estructural de disc de turbina (TPDS) a la Xina. Inclou les funcions principals del processament de l’espectre de càrrega, el processament variable aleatori, el modelat geomètric, l’anàlisi del mode de fallada i la presa de decisions de disseny i integra programari comercial com UG, ANSYS i MATLAB, tal com es mostra a la figura 8. Diversos aspectes que han de ser més estudiats
La tecnologia de disseny probabilístic de les estructures típiques del motor s’ha convertit en una de les tecnologies clau més prometedores per resoldre el coll d’ampolla d’investigació i desenvolupament de motors avançats. S’utilitza gradualment en el desenvolupament de parts clau dels motors avançats aero a la Xina. S'ha aplicat localment i comença a mostrar l'efecte. En el següent pas de desenvolupament, cal aprofundir i reforçar el següent treball de recerca.
1. Disseny estructural integrat de disseny de processos materials El disseny estructural, el material i la integració i la iteració de processos són els camins fonamentals per millorar el nivell de desenvolupament avançat de motor aero. L’aplicació efectiva de la tecnologia de disseny probabilístic estructural del motor és inseparable a partir de la consideració integrada de materials i processos. Per tant, el disseny probabilístic de les estructures del motor ha de començar a partir de la font de disseny, revelar el mecanisme d’influència i la regulació regular de paràmetres sensibles de fabricació estructurals típics en la fiabilitat de les estructures del motor i formar un mètode de disseny probabilístic de les estructures típiques del motor que integren la fabricació de paràmetres sensibles de fabricació, per la qual cosa s’estableix la teoria i el mètode de la proximitat del motor que s’estructura la proximitat del disseny de la proximitat del motor.
2. Disseny d’optimització multidisciplinària basat en la fiabilitat El disseny estructural de les alimentacions aero implica moltes disciplines com l’aerodinàmica, els materials, la transferència de calor, l’estructura i la força. Les disciplines s’uneixen entre elles. El disseny probabilístic d’una única disciplina no pot garantir que l’estructura dissenyada compleixi els requisits de fiabilitat d’ús.
