涡轮盘结构可靠性与稳健性综合优化设计

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1、第38卷第1期航空发动机V0l-38NO．12012年2月AeroengineFeb．2012涡轮盘结构可靠性与稳健性综合优化设计陈智，白广忱(北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京1130191)摘要：初步建立1种综合考虑结构疲劳可靠性与稳健性的航空发动机涡轮盘优化设计方法。根据涡轮盘的结构设计准则，以轮盘的轻质化和低循环疲劳寿命的稳健性作为目标，以结构强度和疲劳可靠性作为约束，采用随机优化方法对轮盘进行优化设计。设计结果表明：由于量化考虑了轮盘的安全性，所以能够得到更精确的约束，从而使轮盘设计质量更轻；而针对

2、稳健性的优化，则降低了低循环疲劳寿命对载荷和材料参数波动的敏感性，提高了涡轮盘的稳健性。关键词：涡轮盘；可靠性；稳健性；低循环疲劳；航空发动机陈智(1986)，男，在读硕士研究生，研OptimalDesignofReliabilityandRobustnessforTurbineDisk究方向为航空发动机结构强度振动及其CHENZhi,BAIG““g一h。“可靠件(SchoolofJetPropulsion，BeihangUniversity，Beijing100191，China)老目：匡瘃自学5金(511750

3、17)Abstract：Anew。ptima1designmeth。dc。nsideringreliabilityandmbustness。f咨日打aeroengineturbinediskwasconstructed．Accordingtoturbinediskstructuredesigncriterion，收稿日期：2011—10—08he。pimaldesign。furhinediskwasc。nducedbymnd。m。piii。“【h。dilhh。targetoflightweightandrobust

4、lowcyclefatiguewastargetandtheconstraintofstructuralstrengthandfatigueofthediskreliability．Theresultsshowthatsecurityofturbineisquantitativelyconsidered，itgetspreciseconstraintsandlighterdiskstructure．Tilesensitivityoflowcyclefatigueontheloadingandmaterialpara

5、metersfluctuationsisreduced，therobustnessofturbinediskiimproved．KeyWOrds：turhinedisk；reliability；robustness；lOWcyclefatigue；aeroengine靠性技术的研究，基于可靠性的随机优化技术对概0引言率设计体系的研究I，基于极限因子和降维方法的可由于航空发动机涡轮盘在工作中承受着复杂的靠性优化研究嘲等。稳健I生设计技术l7l，则是针对如何热载荷和机械载荷，一旦发生故障往往会带来灾难性减小由于轮盘尺寸

6、，材料参数和载荷的分散性所导致的后果，因此涡轮盘的设计往往需要应用优化技术综的涡轮盘结构性能特性的波动，以提高发动机工作性合考虑安全性和轻质化，同时，轻质化设计对提高发能的稳定性。而可靠性和稳健性对涡轮性能进行优化动机效率与推质比都具有重大意义。目前，基于确定研究，在国内还是空白。性优化技术的设计方法已趋于成熟，并相应开发了一本文综合考虑涡轮盘结构强度和疲劳的可靠性些应用程序和软件⋯。但这些方法基于安全性考虑而与稳健性，建立1种针对涡轮盘稳健性，可靠性和轻给涡轮盘以过大的应力储备，往往使得性能过于保质化的综合优化设

7、计方法。守。而基于概率分析技术的可靠性理论则考虑了轮盘1涡轮盘结构疲劳可靠性和稳健性的分析与尺寸，材料和载荷的随机分散性，引入疲劳强度分析优化技术，量化考虑安全性指标，所以能够在设计阶段有效地提高安全性和减轻质量。目前，国内对轮盘强度可靠性与稳健性既有联系又有区别。从理论上的随机可靠性分析技术已比较成熟，包括轮盘疲劳可说，二者都是基于数理统计理论对疲劳寿命的概率分10航空发动机第38卷布进行分析；但可靠性考虑寿命概率密度曲线的尾部1．2涡轮盘疲劳可靠性和稳健性的综合优化性质，要求疲劳寿命大于安全寿命指标概率99．9

8、％；在设计过程中，将可控对象的涡轮盘型面参数而稳健性则注重寿命概率密度曲线在均值附近的性化，则可以用一些尺寸参数=(⋯，27n)进行描述⋯，质，力求降低寿命对材料性能和载荷变化的敏感性。这些参数就是设计变量。考虑加工过程中的随机性，1．1涡轮盘疲劳可靠性和稳健性准则的建立将其作为随机变量。而对于载荷，如转速、轮缘温度根据EGD一3标准，涡轮盘在0一Ma)【一