某航空发动机低压涡轮叶片可靠性分析

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航空发动机在飞机结构中的地位十分重要,被称为飞机的“心脏”,是飞机的动力来源,对飞机的整体性能以及可靠性都有着较大影响,尽管现代航空发动机部件由于严格的标准和实践而具有较高的可靠性,但在正常工作环境中涡轮机叶片的故障仍是危及飞行安全的常见情况。涡轮叶片作为航空发动机断裂关键件之一,长期工作在异常恶劣的条件下,受到多种复杂载荷作用,发生故障的概率较高,在对涡轮叶片的故障件进行失效分析时发现其疲劳断裂失效占总失效的比例最高,是其最主要的故障模式。因此需要采用科学的手段,正确分析和评估航空发动机涡轮叶片的可靠性,在避免事故灾害的前提下最大限度的发挥其作用。本文以某航空发动机涡轮叶片为研究对象,对涡轮叶片的主要失效模式进行可靠性分析,主要研究工作为以下几个方面:(1)对涡轮叶片进行失效物理分析,通过有限元软件ANSYS Workbench计算涡轮叶片在最大工况下的应力,基于有限元分析的结果,采用有限元数值仿真、响应面法与Monte Carlo相结合的方法获取涡轮叶片在低周疲劳断裂失效模式下所受的最大应力样本数据;并对材料强度退化过程进行研究,从材料的P-S-N曲线中提取隐藏的强度退化信息,利用Gamma随机过程建立结构强度退化的随机模型,并根据应力-强度干涉模型求解涡轮叶片在低周疲劳断裂失效模式下的动态可靠度。(2)基于涡轮叶片的低周疲劳寿命模型,考虑寿命模型中相关系数的随机性,对寿命模型进行Monte Carlo抽样,分析寿命样本数据并利用概率加权矩参数估计方法建立涡轮叶片低周疲劳寿命可靠性模型。(3)对涡轮叶片振动特性进行研究,分析影响涡轮叶片固有频率与激振力频率的多种随机变量,考虑到共振准则的模糊性,引入正态分布隶属函数,明确涡轮叶片模糊共振失效区域及相应的隶属函数,建立涡轮叶片抗共振模糊可靠性分析模型,为涡轮叶片避免共振以及调频改型提供参考依据。(4)对涡轮叶片的高低周复合疲劳失效模式进行研究,分析涡轮叶片在复合失效模式下所受的的最大应力,基于建立的结构强度退化模型与应力-强度干涉模型求解涡轮叶片在复合失效模式下的动态可靠度。
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