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疲劳约束下航空发动机涡轮盘结构优化设计

黄协思  
【摘要】:航空发动机是飞机的“心脏”;是推动飞机快速发展的源动力;也是衡量一个国家综合科技水平和综合国力的重要标志。作为航空发动机的关键零部件,高压涡轮盘的质量和可靠性对航空发动机性能起着决定性影响。高精度、高效率的涡轮盘的结构设计是提高现代航空发动机整体水平的关键步骤。论文致力于减轻高压涡轮盘重量,提高其性能,提出一种疲劳寿命约束下高压涡轮盘结构优化设计方案。本论文主要工作包含两部分内容:高压涡轮盘概率疲劳寿命评估和高压涡轮盘结构优化设计方法研究,具体工作如下:(1)涡轮盘低循环疲劳-蠕变寿命评估。首先对某型1级高压涡轮盘工况及载荷进行分析,并基于有限元热固耦合方法分析高压涡轮盘各危险部位的最大应力/应变。其次,运用基于Walker修正的SWT(Smith-Watson-Topper)模型对高压涡轮盘各危险部位(中心孔、螺栓孔和榫槽)进行低循环疲劳寿命计算。在此基础上考虑高温蠕变对涡轮盘疲劳寿命的影响,引入Larson-Miller蠕变损伤模型计算榫槽处的蠕变损伤,最后得到涡轮盘的疲劳-蠕变寿命。(2)基于BP(Back Propagation)神经网络和迁移学习的涡轮盘疲劳-蠕变寿命可靠性评估。首先对影响涡轮盘性能的不确定性因素进行分析,建立三维随机有限元模型,分析涡轮盘各危险部位的最大应力/应变;进一步为提高涡轮盘疲劳寿命评估效率,建立涡轮盘二维轴对称随机有限元分析模型,并分析二维模型下涡轮盘各危险部位的最大应力/应变;其次,基于人工神经网络方法和迁移学习方法融合不同精度数据搭建涡轮盘各危险点部位的最大应力/应变预测代理模型及疲劳-蠕变可靠性模型;最后采用Monte-Carlo方法对涡轮盘疲劳-蠕变可靠性进行评估。(3)基于改进的BESO(Bi-Directional Evolutionary Structural Optimization)方法对低循环疲劳寿命约束下的涡轮盘进行拓扑优化设计。首先以减轻涡轮盘体积/刚度比为目标函数,建立低循环疲劳寿命和破裂转速性能指标作为约束条件的涡轮盘拓扑优化设计数学模型;其次,基于改进的BESO方法进行涡轮盘拓扑优化设计,且在优化过程中采用响应面方法对涡轮盘性能指标约束进行拟合。最后对优化设计结构与参考涡轮盘性能指标进行对比分析。(4)提出疲劳-蠕变可靠性约束下的涡轮盘拓扑优化设计方法。首先建立不确定性因素影响下涡轮盘疲劳可靠性拓扑优化设计模型;其次,结合概率可靠性优化设计的思想,提出考虑不确定性的随机抽样敏度双向渐进结构优化方法(Random Sampling Sensitivity Analysis-Reliability based Bi-Directional Evolutionary Structural Optimization,RSSA-RBESO),完善涡轮盘的概率可靠性拓扑优化流程及优化设计;最后对可靠性拓扑优化设计与确定性涡轮盘优化设计结构进行对比分析。


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