[发明专利]一种基于贝叶斯校准的涡轮盘非局部概率寿命评估方法

说明书

本发明涉及一种基于贝叶斯校准的涡轮盘最弱环非局部概率寿命评估方法，分别设计光滑圆棒试样和涡轮盘特征部位结构模拟件，开展试样低循环疲劳试验；采用最小二乘法回归分析建立三参数幂函数寿命模型；基于结构最弱环法建立涡轮盘结构模拟件疲劳寿命Weibull可靠度函数，采用Weibull分布参数估计法确定寿命分布指数b_N及其分布；计算等效能量密度参数获得涡轮盘结构模拟件的疲劳寿命Weibull可靠度函数，得到预测中值寿命N_P；采用贝叶斯校准对b_N进行校准，采用校准后的b_N重新获得涡轮盘结构模拟件的疲劳寿命Weibull可靠度函数，得到涡轮盘结构模拟件预测中值寿命和±3σ寿命曲线。

技术领域

本发明是一种针对航空发动机涡轮盘的非局部概率寿命评估方法，它是一种基于结构最弱环法进行疲劳寿命评估并采用贝叶斯校准模型参数、能够考虑尺寸效应对疲劳寿命的影响的分析方法，属于航空航天发动机技术领域。

背景技术

涡轮盘作为航空发动机的关重件和限寿件，其寿命可靠性直接关系到飞机和发动机的使用安全。先进发动机的发展需要包括涡轮盘在内的结构件在不断减轻重量以保证高性能的同时，满足越来越苛刻的高可靠性、长寿命的要求。因此，针对涡轮盘展开全面精确的寿命可靠性评估，是发动机提升性能和保证安全的必要手段。

目前涡轮盘的寿命可靠性评估常采用传统的“热点法”(Hot Spot Method)，又称“危险点法”，方法以结构危险点为考核对象，将危险点的寿命水平作为结构整体的寿命评估结果。随着航空发动机性能和安全性要求的不断提升，热点法的局限性越来越明显。

首先，热点法忽略了涡轮盘螺栓孔、封严蓖齿等应力集中部位的应力梯度对疲劳寿命的影响，往往会给出偏保守的结果，容易造成结构冗余，不利于充分挖掘结构的性能；其次，热点法往往基于标准试样疲劳试验数据对结构进行寿命可靠性评估，忽略了试样与实际涡轮盘之间的体积差异对疲劳寿命的影响，体积越大包含材料缺陷的概率越高，相同载荷水平下，材料缺陷萌生为裂纹的概率也越高，寿命越低，因此无法完全保证涡轮盘的绝对安全。

发明内容

本发明技术解决方案：克服现有技术的不足，提供一种基于贝叶斯校准的涡轮盘最弱环非局部概率寿命评估方法，能够考虑应力梯度和体积差异对涡轮盘疲劳寿命的影响，进一步提高涡轮盘疲劳寿命预测精度。

本发明解决方案：

一种基于贝叶斯校准的涡轮盘最弱环非局部概率寿命评估方法，包括以下步骤：

(1)针对涡轮盘不同部位盘缘、辐板和盘心材料性能差异和结构特征部位应力集中，分别设计光滑圆棒试样和涡轮盘特征部位结构模拟件，并对涡轮盘盘坯取样，通过开展光滑圆棒应变控制低循环疲劳试验，获得材料的低循环疲劳试验数据；通过开展不同尺寸比例的涡轮盘结构模拟件应力控制试验，获得涡轮盘结构特征部位低循环疲劳寿命试验数据；

(2)基于步骤(1)获得的材料低循环疲劳试验数据，采用最小二乘法回归分析建立反映能量密度参数和寿命关系的三参数幂函数寿命模型；

(3)结合步骤(1)获得的材料低循环疲劳试验数据和涡轮盘特征部位低循环疲劳寿命试验数据，基于结构最弱环法建立涡轮盘结构模拟件疲劳寿命的Weibull可靠度函数，采用Weibull分布参数估计法确定Weibull可靠度函数的寿命分布指数b_N及其分布；

(4)对涡轮盘结构模拟件进行有限元分析，结合步骤(3)获得的寿命分布指数b_N计算涡轮盘结构模拟件有效体积V_EW上的等效能量密度参数进而根据步骤(2)建立的三参数幂函数寿命模型得到涡轮盘结构模拟件的疲劳寿命Weibull可靠度函数。当可靠度或失效概率取0.5时，得到涡轮盘结构模拟件的预测中值寿命N_P；