[发明专利]一种基于不确定性量化的涡轮叶片热机械疲劳概率寿命预测方法

说明书

本发明涉及一种基于不确定性量化的涡轮叶片热机械疲劳概率寿命预测方法，(1)采用Walker本构模型，采用有限元法求解临界平面的损伤因子，利用Richardson外推法对离散误差进行标定；(2)使用循环累积损伤理论建立热机械疲劳(TMF)概率寿命模型，其中使用贝叶斯推理来量化材料参数的不确定性；(3)使用考虑不确定度量化的概率框架，对单晶镍基高温合金涡轮叶片进行TMF寿命预测；(4)提出了基于循环累积损伤方法和贝叶斯推理的涡轮叶片TMF寿命不确定性量化概率框架；(5)通过对实际涡轮叶片的数值和实验结果的比较，揭示了本发明的准确性和有效性。

技术领域

本发明是一种针对航空发动机涡轮叶片热机械疲劳概率寿命的预测方法，它是一种基于循环损伤积累方法和贝叶斯推理方法的涡轮叶片热机械疲劳寿命不确定性量化概率框架，属于航空航天发动机技术领域。

背景技术

单晶镍合金由于在高温下具有优异的性能而广泛用于燃气轮机叶片。涡轮叶片同时承受着由高温气体引起的热负荷以及由于离心力而引起的机械载荷。燃气轮机叶片的主要寿命限制因素，通常是热机械疲劳(TMF)，循环热负荷和机械负荷的组合。因此，单晶涡轮叶片的TMF寿命评估对于燃气轮机行业是非常有意义的。

在评估涡轮叶片的TMF寿命之前，应首先确定本构模型和寿命模型。基于滑移系统的粘塑性本构模型已被研究人员广泛用来描述单晶的各向异性特性。基于滑移系统的Walker粘弹性本构模型已用于以前的工作中，结果表明该模型能够描述高温环境下正交各向异性，循环硬化/软化，应变速率效应，棘轮效应和应力松弛等性能。因此，本发明采用Walker粘弹性本构模型来描述单晶镍合金的应力-应变关系。至于寿命模型，由于镍基单晶其面心立方晶体结构导致的的非弹性变形经常沿着特定的滑动平面变形，所以通常使用来自滑动平面的损伤参数来形成疲劳寿命模型，其中被认为是临界平面。然后使用基于临界面的循环累积损伤(CDA)方法建立寿命模型。

到目前为止，单晶镍合金的大多数疲劳寿命预测方法是确定性的(参见SWANSON GA,LINASK I,NISSLEY D,et al.Life prediction and constitutive models for enginehot section anisotropic materials program[J].1986,GALLERNEAU F,CHABOCHE J-L.Fatigue life prediction of single crystals for turbine blade applications[J].International Journal of Damage Mechanics,1999,8(4):404-427.)，由于涉及几何学，材料性能等的随机性质，其总是显示出散射。由于每个模型的本能误差，模型变异性占据了很大的比例，整个寿命评估的不确定性不可避免地存于不同的疲劳寿命模型中。为了量化这种不确定性(参见PARK I,AMARCHINTA H K,GRANDHI R V.A Bayesian approachfor quantification of model uncertainty[J].Reliability Engineering&SystemSafety,2010,95(7):777-785.)，将实验结果与现有数据或专家实验相结合的贝叶斯方法(参见I,SAWLAN Z,SCAVINO M,et al.Bayesian inference and modelcomparison for metallic fatigue data[J].Computer Methods in Applied Mechanicsand Engineering,2016,304 171-196.)已被广泛应用于不同的模型(参见WANG R,LIU X,HU D,et al.Zone-based reliability analysis on fatigue life of GH720Li turbinedisk concerning uncertainty quantification[J].Aerospace Science andTechnology,2017,70300-309.)。由于实验结果是有限的，贝叶斯方法可用于处理小样本，对于飞机发动机具有优越性。因此，在这种情况下，贝叶斯方法被用于使用实验数据来量化模型的不确定性，这是疲劳寿命评估的先决条件。