多構件多失效模式結構一體化可靠性設計理論與方法

《多構件多失效模式結構一體化可靠性設計理論與方法》是依託哈爾濱理工大學，由張春宜擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：多構件多失效模式結構一體化可靠性設計理論與方法
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張春宜
• 依託單位：哈爾濱理工大學

項目摘要

目前，考慮構件間共因失效相關性和同一構件不同失效模式間耦合失效相關性的複雜結構可靠性分析理論和方法還不完善；考慮上述失效相關性的高精度、高效率的整體結構可靠性最佳化設計理論和方法還處於空白。本項目研究目的是解決在多構件多失效模式複雜機械結構一體化可靠性設計中，可靠性分析失效相關性的處理、整體可靠性最佳化設計的計算效率及計算精度等方面的科學問題。主要包括：針對多構件多失效模式結構可靠性分析，建立既可以處理構件之間共因失效相關性，又可以處理構件內部各失效模式之間耦合失效相關性，而且具有工程實用價值的高精度、高效率多重回響面方法；針對多構件多失效模式結構整體可靠性最佳化設計，研究用基於多重回響面的多級分解協調最佳化策略，來實現多構件多失效模式結構整體可靠性最佳化設計和模糊可靠性最佳化設計。本項目研究成果對促進機械可靠性設計理論的發展具有重要學術意義，並在航空、航天、機械各工程領域的結構設計中有現實套用前景。

結題摘要

建立了多重極值回響面法，提出了基於多失效模式多重回響面法的機械系統可靠性分析方法，並套用於燃氣渦輪發動機的渦輪盤-葉片組合結構系統為例進行了計算驗證；建立了耦合失效多重極值回響面數學模型，並將其套用於渦輪葉盤結構在流-固耦合、流-熱-固單向耦合、雙向耦合工況下的可靠性分析和靈敏度分析，解決了結構多失效模式同時存在時的動態可靠性分析問題。 完成了高溫合金GH4133B高溫疲勞-蠕變破壞試驗，通過不同溫度、不同載入波形的多組試驗，獲得了大量實驗數據，確定了該種材料的疲勞-蠕變損傷特性函式。 提出了可靠性分析的智多重回響面法，然後用智慧型多重回響面法和聯動抽樣技術進行了航空發動機葉盤可靠性分析仿真並得出其可靠度。 提出了智慧型多重回響面可靠性最佳化設計的新方法，並套用於航空發動機葉盤最佳化設計仿真，提高了計算精度和效率。 提出用分解協調最佳化策略實現結構整體可靠性最佳化設計的方法，利用子規劃和主規劃的方式合理安排最佳化模型，將多級最佳化模型和多重回響面模型有機的嵌套，然後以曲柄搖桿機構為例進行了可靠性最佳化設計，驗證了分解協調最佳化方法的可行性。 分別提出了結構單一失效模式且與時間無關的的模糊回響面方法、與時間相關的模糊極值回響面方法以及與時間相關且有多種失效模式的模糊多重極值回響面方法，再對這些回響面模型採取聯動抽樣的方式進行可靠性分析。分別以航空渦輪發動機葉片以及大型真空調整平台為例進行了模糊可靠性分析和模糊可靠性最佳化設計仿真，驗證了該方法的可行性和有效性，由於這樣的可靠性分析模型同時考慮了變數的模糊性與隨機性，因此具有較高的精度。 針對航空發動機葉盤結構工作條件的多場耦合等特性，在利用智慧型多重回響面方法完成多失效模式可靠性分析的基礎上，進行可靠性最佳化設計。以多目標粒子群算法搜尋最優設計點集減小渦輪葉盤最大徑向變形及應力輸出回響，在滿足機械結構可靠度的同時，降低了結構所受載荷的大小，提高了結構的安全性能。