[发明专利]一种航空发动机涡轮盘结构可靠性分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及海绵城市雨水收集与净化技术领域，具体涉及一种道路生物滞留槽快速设计方法。

背景技术

涡轮盘是航空发动机中重要的盘形零件之一，作用是将燃气的部分内能在涡轮中膨胀转化为机械能，带动压气机旋转。在飞机的实际运行中，涡轮盘受到高温高压和燃气的腐蚀和氧化作用，其工作条件十分恶劣，因此在航空发动机设计中对涡轮盘的材料要求更为严苛。涡轮盘的可靠性对整个航空发动机以及飞机的可靠稳定的运行具有直接影响，因此涡轮盘的可靠性分析是一个需要不断探索和研究的课题。由于材料的不均匀和大气层空气的流动，涡轮盘材料的物理特性，如密度、强度极限和弹性模量以及载荷在航空发动机的运行中具有一定的分散性和随机性。在考虑这些随机变量影响的基础上，利用蒙特卡罗抽样方法对涡轮盘的结构可靠性分析，计算随机变量的灵敏度，对发动的涡轮盘的设计、制造和加工具有一定的指作用，对提高发动机的整体安全性能和降低航空件的检修、维护成本具有重要意义。故障树分析法采用从系统到部件再到零件的层层追溯的分析方法，更适合大型复杂系统的可靠性分析，所以在涡轮盘结构可靠性分析方面，显得实用性不强。基于振动信号的小波分析、谱分析等可靠性分析方法则需要大量的振动试验，成本较高。一般的蒙特卡罗可靠性分析方法通常在单个软件平台分析，并且只对较少的随机变量抽样，使得到的可靠度结果实用性比较单一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于蒙特卡罗法的航空发动机涡轮盘结构可靠性分析方法，旨在解决现有方法在航空发动机涡轮盘结构可靠性分析中存在的效率低或成本高等问题。

本发明的技术方案为：

本发明是这样实现的，一种航空发动机涡轮盘结构可靠性分析方法，包括下述步骤：

步骤一，根据涡轮盘材料的不均匀性建立随机变量数学模型；

步骤二，根据涡轮盘运行受力情况，建立在ANSYS环境下某型微型涡喷航空发动机涡轮盘应力分析模型：在三维建模软件SOLIDWORKS平台上建立某型微型涡喷航空发动机涡轮盘三维实体模型，为了提高有限元分析效率及网格划分，对计算结果影响很小的结构进行简化，包括涡轮盘内、圈外圈及中心孔圆角；将完成的涡轮盘三维实体模型导入HPERMESH平台中，对模型进行网格划分，模拟实际约束情况对涡轮盘模型施加约束，固定联接孔在X、Y、Z方向的位移，固定涡轮对Y、Z轴的旋转，其中X轴为涡轮盘轴向，并通过对涡轮盘外圆柱面施加压强的形式考虑叶片产生离心力对轮盘的影响；在ANSYS环境中模拟实际受力情况对涡轮盘模型施加载荷，定义载荷类型为涡轮盘运行角速度产生的旋转体力，即离心力，分析主要考虑涡轮盘的运行状态有典型工况及紧急工况；

步骤三，利用ANSYS环境下的PDS对涡轮盘三维模型随机变量进行蒙特卡罗抽样，得到涡轮盘在不同工况下的最大应力MAXSTRESS分布；

步骤四，在MATLAB平台上对随机变量进行不同程度的蒙特卡罗仿真试验，根据结构功能函数计算涡轮盘可靠度，得到不同工况下的涡轮盘结构可靠度；

步骤五，利用MATLAB计算不同工况下的涡轮盘结构可靠度及影响涡轮盘结构可靠性随机变量的灵敏度：根据涡轮盘结构功能函数，当结构功能函数值大于零，即涡轮盘极限强度大于最大应力MAXSTRESS值，结构可靠，反之结构失效；设置随机变量矩阵大小，进行不同次数的蒙特卡罗仿真试验，可以得到不同的可靠度需求精度；在MATLAB环境下用find函数返回结构功能函数矩阵中大于零元素位置，再用length函数计算结构功能函数矩阵中大于零元素个数，最后根据可靠度公式计算不同工况不同精度的可靠度；根据灵敏度公式，计算随机变量密度、弹性模量、角速度影响涡轮盘结构可靠性的灵敏度。

所述步骤五中涡轮盘结构功能函数值的随机变量矩阵：

Z＝g(S,F)＝S-F (1)。

所述步骤一建立涡轮盘随机变量的数学模型具体包括：考虑材料的不均匀性和分散性，涡轮盘随机变量的数学模型包括影响涡轮盘结构可靠性的随机变量的概率分布；影响涡轮盘结构可靠性的随机变量主要为涡轮盘运转角速度、材料的物理性能参数及力学性能参数，影响涡轮盘结构可靠性材料物理性能参数及力学性能参数包括密度、弹性模量、极限强度；即涡轮盘随机变量的数学模型包括密度、弹性模量、极限强度、角速度的概率类型和概率分布参数；在ANSYS中采用的概率分布类型为高斯(GAUSS)分布，概率分布参数包括均值(MEAN)和标准偏差(SIGMA)。