一种考虑安全寿命的轮盘径向止口配合紧度设计方法与流程

本发明属于航空发动机领域，具体涉及一种考虑安全寿命的轮盘径向止口配合紧度设计方法。

背景技术：

1、航空发动机盘鼓式转子轮盘之间连接的常见结构见图1所示，包括鼓筒、辐板、螺栓等结构，通过鼓筒与辐板径向止口配合，以及螺栓联接保证结构的连接可靠。该结构的径向止口根部倒圆及螺栓孔等应力集中部位通常为轮盘的寿命危险点，发动机工作过程中轮盘的径向止口紧度过大会导致止口根部应力过大，而紧度过小则会导致鼓筒与轮盘辐板产生较大相对径向位移使得螺栓挤压螺栓孔造成孔边应力过大，最终影响轮盘组件的疲劳寿命。

2、现阶段轮盘结构设计时其径向止口配合公差通常依据加工、装配、定心可靠及静强度储备等因素，并结合工程经验来选取，该设计方法对径向止口尺寸公差的分散性与轮盘危险点疲劳寿命的分散性之间的关联未作充分考虑，易导致紧度设计不合理，致使轮盘疲劳寿命无法满足发动机安全寿命要求。因此建立一种可以考虑轮盘安全寿命的径向止口配合紧度设计方法非常重要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：本发明提供了一种考虑安全寿命的轮盘径向止口配合紧度设计方法，解决了现阶段轮盘结构设计时对径向止口尺寸公差的分散性与轮盘危险点疲劳寿命的分散性之间的关联未作充分考虑的问题。该方法可准确分析径向止口配合紧度分散性对于轮盘危险部位疲劳寿命的影响，并优化出满足安全寿命设计要求的配合紧度，为径向定位止口的紧度设计提供技术支持。

2、本发明目的通过下述技术方案来实现：

3、一种考虑安全寿命的轮盘径向止口配合紧度设计方法，包括如下步骤：

4、步骤1：获取盘鼓式转子鼓筒与辐板连接结构的关键参数；

5、步骤2：建立鼓筒与辐板连接结构的三维有限元模型；

6、步骤3：根据有限元模型生成样本池，建立反映径向止口配合紧度与危险部位应力之间响应关系的代理模型；

7、步骤4：通过代理模型，利用配合紧度的随机样本获得对应轮盘危险部位的应力概率分布函数；

8、步骤5：根据危险部位的应力概率分布函数，结合轮盘对应材料的疲劳性能数据，获得危险部位的寿命概率分布函数；

9、步骤6：计算危险部位处的疲劳寿命可靠度；

10、步骤7：利用优化算法获得使危险部位疲劳寿命可靠度满足安全寿命要求的止口配合紧度最优解；

11、步骤8：将优化所得的径向止口配合紧度分散性指标最优解转化为其尺寸公差，并依据标准选取在最优解范围内的径向止口的极限偏差。

12、进一步的，所述的步骤1中，参数包括各零件的材料力学性能数据、径向止口配合紧度设计值及其公差、螺栓拧紧力矩、各配合面的摩擦系数、转子转速和转子温度场中的至少一种。

13、进一步的，所述的步骤2中，三维有限元模型设置径向止口过盈/间隙量、配合面接触状态以及转子转速、转子温度场、螺栓预紧力的载荷边界。

14、进一步的，所述的步骤3中，使用响应面法或克里金法的代理模型分析方法，结合有限元模型生成训练样本池，计算获得径向止口配合紧度与危险部位应力的关系，即为代理模型。

15、进一步的，所述的步骤4中，依据止口配合紧度设计值及其公差，进行止口配合紧度分散性量化，获取止口配合紧度的概率分布均值、标准差；利用随机抽样方法生成径向止口配合紧度的随机样本。

16、进一步的，所述的步骤4中，按照所确定的轮盘径向止口配合紧度理论上下限量化其分散性，其标准差按式(1)等效为：

17、

18、其中，σx为标准差，△x为公差幅值。

19、进一步的，所述的步骤4中，采用蒙特卡洛方法或拉丁超立方抽样的随机抽样方法生成径向止口配合紧度的随机样本。

20、进一步的，所述的步骤4中，通过代理模型，利用径向止口配合紧度的随机样本获得对应轮盘危险部位的应力样本，并根据应力样本拟合获得其概率分布函数。

21、进一步的，所述的步骤4中，轮盘危险部位包括止口根部倒圆和螺栓孔中的至少一种。

22、进一步的，所述的步骤6中，按照式(2)的极限状态函数结合式(3)计算疲劳寿命可靠度：

23、

24、

25、其中，nfd为设计要求寿命，lgnfd为对其求以10为底的对数；nfs为计算疲劳寿命，lgnfs为对其求以10为底的对数，lgnfs通常服从正态分布；pf为危险部位的疲劳寿命可靠度，具体为当计算疲劳寿命nfs大于设计要求寿命nfd的概率，g为计算pf时定义的极限状态函数；μlgnfs表示lgnfs的均值，σlgnfs表示lgnfs的标准差。

26、进一步的，所述的步骤7中，以危险部位疲劳寿命可靠度与发动机安全寿命要求可靠度的差值建立目标函数可靠度，以径向止口配合紧度的分散性指标为设计变量，选取优化算法开展优化计算，确定最优解；

27、设计变量：x＝[μ配合紧度,σ配合紧度](4)；

28、目标函数的极小化：minf(x)＝p安全寿命-p(nfd<nfs(x))(5)；

29、约束条件：-δx≤n(μ配合紧度,σ配合紧度)≤+δx(6)；

30、其中，μ配合紧度为径向止口配合紧度的均值；σ配合紧度为径向止口配合紧度的标准差；p安全寿命为设计要求的安全寿命可靠度；p(nfd<nfs(x))为设计变量x对应计算疲劳寿命nfs小于设计要求寿命nfd下的概率；n(μ配合紧度,σ配合紧度)为以μ配合紧度为均值，以σ配合紧度为标准差的正态分布函数。

31、本发明的有益效果：

32、1、本发明提供的轮盘径向止口配合紧度设计方法，可准确建立轮盘径向止口配合紧度与止口根部倒圆及螺栓孔孔边等危险部位应力的响应关系。

33、2、本发明提供的轮盘径向止口配合紧度设计方法，可准确量化止口配合紧度分散性对危险部位疲劳寿命概率分布的影响。

34、3、本发明提供的轮盘径向止口配合紧度设计方法，可优化出满足轮盘安全寿命要求的最优配合紧度，可避免配合紧度设计不合理导致的疲劳寿命问题。

35、前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

技术特征：

1.一种考虑安全寿命的轮盘径向止口配合紧度设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的考虑安全寿命的轮盘径向止口配合紧度设计方法，其特征在于：所述的步骤1中，参数包括各零件的材料力学性能数据、径向止口配合紧度设计值及其公差、螺栓拧紧力矩、各配合面的摩擦系数、转子转速和转子温度场中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的考虑安全寿命的轮盘径向止口配合紧度设计方法，其特征在于：所述的步骤2中，三维有限元模型设置径向止口过盈/间隙量、配合面接触状态以及转子转速、转子温度场、螺栓预紧力的载荷边界。

4.根据权利要求1所述的考虑安全寿命的轮盘径向止口配合紧度设计方法，其特征在于：所述的步骤3中，使用响应面法或克里金法的代理模型分析方法，结合有限元模型生成训练样本池，计算获得径向止口配合紧度与危险部位应力的关系，即为代理模型。

5.根据权利要求1所述的考虑安全寿命的轮盘径向止口配合紧度设计方法，其特征在于：所述的步骤4中，依据止口配合紧度设计值及其公差，进行止口配合紧度分散性量化，获取止口配合紧度的概率分布均值、标准差；利用随机抽样方法生成径向止口配合紧度的随机样本。

6.根据权利要求5所述的考虑安全寿命的轮盘径向止口配合紧度设计方法，其特征在于：所述的步骤4中，按照所确定的轮盘径向止口配合紧度理论上下限量化其分散性，其标准差按式(1)等效为：

7.根据权利要求5所述的考虑安全寿命的轮盘径向止口配合紧度设计方法，其特征在于：所述的步骤4中，采用蒙特卡洛方法或拉丁超立方抽样的随机抽样方法生成径向止口配合紧度的随机样本。

8.根据权利要求5所述的考虑安全寿命的轮盘径向止口配合紧度设计方法，其特征在于：所述的步骤4中，通过代理模型，利用径向止口配合紧度的随机样本获得对应轮盘危险部位的应力样本，并根据应力样本拟合获得其概率分布函数；所述的步骤4中，轮盘危险部位包括止口根部倒圆和螺栓孔中的至少一种。

9.根据权利要求1所述的考虑安全寿命的轮盘径向止口配合紧度设计方法，其特征在于：所述的步骤6中，按照式(2)的极限状态函数结合式(3)计算疲劳寿命可靠度：

10.根据权利要求1或9所述的考虑安全寿命的轮盘径向止口配合紧度设计方法，其特征在于：所述的步骤7中，以危险部位疲劳寿命可靠度与发动机安全寿命要求可靠度的差值建立目标函数可靠度，以径向止口配合紧度的分散性指标为设计变量，选取优化算法开展优化计算，确定最优解；

技术总结本发明属于航空发动机领域，公开了一种考虑安全寿命的轮盘径向止口配合紧度设计方法，包括如下步骤：获取盘鼓式转子鼓筒与辐板连接结构的关键参数；建立三维有限元模型；建立代理模型；获得应力概率分布函数；获得寿命概率分布函数；计算疲劳寿命可靠度；获得止口配合紧度最优解；选取在最优解范围内的径向止口的极限偏差。该方法可充分考虑轮盘径向止口配合紧度分散性对其危险部位应力的影响，获得危险部位应力的概率分布，结合结构可靠性设计方法获得满足发动机安全寿命要求的最优止口配合紧度，为轮盘结构设计提供技术支持。该方法可推广到各类轴孔配合紧度设计中，提高发动机零件的疲劳寿命设计准确性。技术研发人员：刘强,张国乾,郝永振,高仁衡,秦仕勇,颜业浩,王梅,何云受保护的技术使用者：中国航发四川燃气涡轮研究院技术研发日：技术公布日：2024/8/5