渦輪冷卻葉片結構可靠性分析方法研究

《渦輪冷卻葉片結構可靠性分析方法研究》是依託北京航空航天大學，由聞潔擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：渦輪冷卻葉片結構可靠性分析方法研究
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：聞潔
• 項目類別：面上項目

項目摘要

準確預測氣-固-熱耦合的渦輪冷卻葉片結構壽命和可靠性，是新型高性能航空發動機研製的關鍵技術之一。本項目考慮氣-固-熱耦合、多危險部位相關和多失效模式耦合的特點，研究渦輪冷卻葉片結構可靠性設計分析方法，主要包括：氣-固-熱耦合渦輪冷卻葉片機率回響的多學科、多部位協同分析方法；考慮多失效模式耦合及多危險部位相關的渦輪冷卻葉片結構壽命可靠性預測方法。發展結構多學科機率回響分析的分散式協同回響面方法，顯著地提高渦輪冷卻葉片結構氣-固-熱耦合機率回響協同分析的計算精度和效率。提出結構多部位機率回響協同分析的多目標協同回響面方法，以較高的精度和效率實現渦輪冷卻葉片多危險部位機率回響的協同分析。在典型渦輪材料標準試件的裂紋擴展試驗和複合疲勞試驗、真實葉片試件的多部位疲勞試驗的基礎上，建立渦輪冷卻葉片的氣膜冷卻孔邊緣裂紋擴展機率模型、低循環-高循環疲勞-蠕變耦合壽命機率模型和各部位疲勞強度分布機率模型。

結題摘要

氣-固-熱多場載荷及環境的作用造成渦輪葉片結構以疲勞、蠕變等多模式耦合失效。同時，日益先進的冷卻氣流通道設計使得渦輪葉片結構變得更加複雜，導致其失效部位的不確定性變得更加顯著，因此在渦輪冷卻葉片結構可靠性設計中，不僅要考慮疲勞、蠕變等多失效模式的耦合性，而且還要考慮多危險部位失效的相關性。本項目以考慮多模式、多部位失效相關性為核心，開展渦輪冷卻葉片結構可靠性設計理論與方法研究，分別從回響相關性和抗力相關性角度研究失效相關性的處理方法，重點研究渦輪冷卻葉片結構機率回響的氣-固-熱多學科協同分析方法及多部位協同分析方法、考慮失效相關性的渦輪冷卻葉片結構可靠性預測方法。針對氣-固-熱多學科協同機率分析，提出了基於學科分解的分散式協同回響面方法，在建立回響面模型的過程中實現學科分解，在回響面模型的利用過程中實現學科耦合，顯著提高了渦輪冷卻葉片氣-固-熱多學科協同機率分析的計算效率和精度。針對多部位協同機率分析，提出了多目標回響面方法，將各部位回響構成的一組向量作為回響面模型的輸出目標，通過各部位回響的協同分析得到訓練樣本，建立人工神經網路回響面模型。針對考慮失效相關性的渦輪冷卻葉片結構可靠性預測，建立了以部分試驗驗證的多模式耦合失效機率模型、多部位相關失效機率模型和小孔邊裂紋擴展機率模型，與機率回響分析的多種回響面方法相結合，發展了考慮失效相關性的渦輪冷卻葉片結構可靠性分析方法。本項目在渦輪冷卻葉片結構機率回響的多學科及多部位協同分析、考慮失效相關性的可靠性分析兩個方面取得了創新性研究成果，解決了渦輪冷卻葉片結構可靠性設計的瓶頸問題，所提出的失效相關性處理方法對發展結構可靠性設計理論具有重要的學術意義，在航空發動機研製中開展渦輪冷卻葉片結構可靠性設計具有現實的套用價值，也對其他行業類似的結構可靠性設計有參考價值。