موتورهای هواپیما سیستم های مهندسی پیچیده معمولی با اتصال متقابل چند رشته ای و اتصال چند جزء قوی هستند. آنها تحت درجه حرارت بالا ، فشار بالا ، سرعت بالا و بار/محیط چند منظوره کار می کنند و باید برای استفاده از قبیل فشار زیاد ، وزن سبک ، عمر طولانی و قابلیت اطمینان بسیار مورد نیاز بسیار بالایی داشته باشند. آنها محصولات افراطی هستند که در توسعه مشکل زیادی دارند. به عنوان مؤلفه اصلی موتورهای هواپیما ، یکپارچگی ساختاری و قابلیت اطمینان ساختار روتور ضعیف ترین پیوندها در طراحی موتور هواپیما و تنگنا محدود کننده توسعه موتور است.
از یک طرف ، سیستم ساختاری در معرض بارهای آیرودینامیکی سخت و پیچیده ، مکانیکی و حرارتی قرار می گیرد ، در حالی که مکانیک (گرمای گرم گاز) با مواد ، فرآیندها و سایر رشته ها در تعامل و محدودیت است. از طرف دیگر ، زندگی ساختاری پراکندگی بزرگی را نشان می دهد ، در حالی که پرواز ایمن نیاز به احتمال شکست کم دارد. در این زمان ، فناوری طراحی قطعی سنتی با چالش های بسیاری روبرو است. طراحی احتمالی ، به عنوان یک روش طراحی خوب ، می تواند خطرات را تعیین کند ، وزن را کاهش دهد و ضمن تأمین نیازهای قابلیت اطمینان ، هزینه ها را کاهش دهد. این یکی از امیدوار کننده ترین فن آوری های کلیدی برای حل تنگنای توسعه پیشرفته موتور هواپیمای است. توسعه طراحی ساختاری موتور
طراحی ساختاری Aeroengine فرآیند توسعه طراحی قدرت استاتیک ، طراحی زندگی ایمن ، طراحی تحمل آسیب های قطعی و طراحی احتمالی ساختاری را پشت سر گذاشته است.
نقطه اصلی شروع طراحی مقاومت استاتیک این است که ساختار تحت بار طراحی داده شده شکسته نمی شود. پس از بار استفاده ، هیچ تغییر شکل دائمی قابل مشاهده پس از بارگیری وجود ندارد. برای مدت طولانی در گذشته ، به دلیل بار کوچک موتور ، سطح استرس سازه بسیار کم بود و الزامات مربوط به زندگی ساختاری زیاد نبود و طراحی استاتیک استاتیک می تواند نیازهای طراحی را برآورده کند.
در سال 1954 ، هواپیمای جت "دنباله دار" انگلیس منفجر شد و به دریا سقوط کرد. علت این حادثه آسیب شکستگی ناشی از اثر خستگی ساختار فلزی بدنه هواپیما بود. این نشان می دهد که طراحی قطعات ساختاری با توجه به استحکام استاتیک نمی تواند ایمنی آنها را در استفاده تضمین کند و مشکل عمر خدمات ایمن باید در طراحی ساختاری در نظر گرفته شود. پس از حادثه ، روش زندگی ایمنی در طراحی ساختاری موتورهای هواپیما اتخاذ شد.
فرض طراحی زندگی ایمن فرض این است که ساختار یک بدنه یکنواخت مداوم و بدون نقص است. از آنجا که این ماده دارای پراکندگی خاصی است ، طراحی ساختاری در مهندسی اغلب عمر متوسط ساختار را از طریق آزمایش ها تعیین می کند و تجربه را برای ایجاد ضریب پراکندگی بیشتر ترکیب می کند و سپس عمر مجاز ساختار را بدست می آورد.
استاندارد وزارت دفاع بریتانیا (Def Stan {0}}}) مستلزم آن است که منحنی با قابلیت اطمینان 99.87 ٪ (یعنی {3}} σ) به عنوان منحنی SN مربوط به زندگی ایمن گرفته شود. مشخصات عمومی Turbojet و Turbofan Engine (MIL-E {6}} D) تصریح می کند که ساختار معمولی موتور یک طراحی زندگی ایمن را اتخاذ می کند ، و ویژگی های مجاز و زندگی مجاز مواد مبتنی بر -3 σ و میزان اعتماد به نفس مربوطه 95 ٪ ، به نظر می رسد شکل 1. مدیریت حمل و نقل هوایی (FAA) ایالات متحده مستلزم آن است که عمر قطعات روتور مانند کمپرسورها و دیسک های توربین با استفاده از روش طراحی زندگی ایمن تعیین شود. مقررات هوایی JAR-E سازمان حمل و نقل هوایی مشترک اروپا همچنین تصریح می کند که عمر قطعات روتور موتور باید با روش زندگی ایمن تعیین شود.
روش طراحی زندگی ایمن ، پراکندگی خصوصیات مکانیکی مواد ساختاری موتور را در نظر می گیرد و از دیدگاه احتمالی برای اطمینان از ایمنی ساختار در طول سرویس ، قابلیت اطمینان بالایی را ایجاد می کند. با این حال ، ساختار واقعی باید حاوی نقایص اولیه مانند اجزاء ، سوراخ ها (ترک ها) و حفره باشد. بنابراین ، روش طراحی ایمن زندگی ، ایمنی و قابلیت اطمینان ساختار را تضمین نمی کند.
علاوه بر این ، طراحی ایمن زندگی یک روش طراحی بسیار محافظه کارانه است. تحت سطح اطمینان 95 ٪ فعلی و قابلیت اطمینان 99.87 ٪ ، این امکان وجود دارد که تنها یکی از ساختارهای 1 ، 4 {4}} ترک های مشخصی داشته باشد و 999 دیگر نیز به نظر می رسد که به عمر خستگی رسیده و از سرویس خارج شده و در نتیجه زباله های بزرگ حاصل می شود. تخمین زده می شود که بیش از 80 ٪ از دیسک های طراحی شده با استفاده از روش زندگی ایمن هنوز 10 بار یا بیشتر از پس از جدا شدن زندگی دارند ، بنابراین لازم است روش های طراحی اقتصادی و ارزیابی اقتصادی تری ایجاد شود.
طراحی تحمل خسارت قطعی می تواند مشکلات ایمنی و اقتصاد را در طراحی ساختار موتور حل کند. این روش با روش طراحی زندگی ایمن متفاوت است. فرض بر این است که نقص یا ترک های کوچکی در مواد وجود دارد و آنها به تدریج تحت عمل بارهای خستگی گسترش می یابند و در نهایت منجر به نارسایی ساختاری می شوند. طراحی تحمل خسارت قطعی ، چرخه نگهداری و حداکثر اندازه مجاز ترک ساختار را بر اساس شرایط استفاده ، خصوصیات مواد و الزامات نگهداری از ساختار تعیین می کند ، نقص مواد ساختاری و پسوند آسیب را در یک محدوده معقول کنترل می کند [7] ، و به طور موثری بهره وری اقتصادی نگهداری ساختار موتور را بهبود می بخشد.
طرح یکپارچگی ساختاری موتور نیروی هوایی ایالات متحده (MIL-STD {1}}) به وضوح بیان می کند که طراحی ، آزمایش و کنترل تحمل آسیب باید بر روی قطعات شکستگی موتور کلیدی انجام شود تا چرخه نگهداری ساختار تعیین شود. با این حال ، روش طراحی تحمل آسیب های قطعی برای در نظر گرفتن دقیق تأثیر عوامل تصادفی مختلف بر پراکندگی زندگی دشوار است ، و نمی تواند به طور دقیق احتمال خرابی ساختار و حساسیت پارامترهای ورودی را پیش بینی کند.
معیارها ، قوانین و روشهای مورد مطالعه و تأسیس در فرآیند طراحی ساختار موتور فوق ، همه قطعی هستند ، یعنی خصوصیات مواد ، فرآیندهای تولید ، استفاده از مأموریت و سایر پارامترها از مقادیر ثابت استفاده می کنند ، که نمی توانند به طور دقیق عمر خستگی ساختار را پیش بینی کنند. بنابراین ، بهینه سازی و تعادل وزن ساختاری ، عمر خدمات و معیارهای طراحی دشوار است و ارائه شاخص قابلیت اطمینان کمی غیرممکن است. نیاز زندگی با قابلیت اطمینان یکی از ویژگی های برجسته طراحی موتور مدرن است و طراحی احتمالی ساختاری یک روش مهم طراحی برای اطمینان از قابلیت اطمینان ساختاری است.
روش طراحی احتمالی ساختاری معتقد است که بار خارجی واقعی که بر روی ساختار و ظرفیت تحمل واقعی ساختار عمل می کند ، هر دو مقادیر احتمالی هستند. ارائه مقادیر دقیق در طول طراحی غیرممکن است. به آنها متغیرهای تصادفی یا فرآیندهای تصادفی گفته می شود که از توزیع خاصی پیروی می کنند. استفاده از این به عنوان نقطه شروع برای طراحی ساختاری [10] می تواند بهتر با واقعیت عینی مطابقت داشته باشد. در تحقیقات برنامه یکپارچه سازی برنامه فناوری موتور توربین با کارایی بالا (IHPTET) ، ایالات متحده یک روش طراحی احتمالی را پیشنهاد کرده و یک سیستم طراحی احتمالی (PDS) را برای سیستم روتور ایجاد کرده است ، که باعث کاهش ذخیره طراحی ساختاری به یک سطح قابلیت اطمینان قابل قبول می شود و تعادل نسبی بین ایمنی و کار را تضمین می کند ، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است که در شکل 2. خستگی چرخه بالا احتمالی تیغه ها به عنوان یکی از فناوری های کلیدی. برنامه یکپارچگی ساختاری موتور ایالات متحده (MIL-HDBK {3}} b) همچنین خاطرنشان کرد که استفاده از حاشیه طراحی احتمالی به جای فاکتور ایمنی سنتی یا حاشیه قطعی می تواند با دقت بیشتری نشان دهنده تغییرات در پاسخ مؤلفه باشد. FAA از ایالات متحده استفاده از طراحی احتمالی ساختاری در زمینه هواپیمایی کشوری را ارتقا داده است ، جایگزین FAR33.14 با بند هوایی FAR33.70 ، یعنی طراحی تحمل آسیب احتمالی برای قطعات محدود کننده موتور انجام می شود و سطح خطر شکست با مقایسه با خطر هدف هدف تعیین می شود.
به منظور برآورده کردن نیازهای عملکرد موتورهای پیشرفته هواپیماهای پیشرفته ، بیشتر و بیشتر مواد جدید مانند آلیاژهای پودر ، ترکیبات بین فلزی ، مواد سرامیکی ، مواد کامپوزیت و غیره دائما در حال ظهور هستند. این مواد دارای پیشرفت های آشکاری نسبت به آلیاژهای فلزی سنتی در خصوصیات خاص مانند استحکام ، استرس ، چگالی و غیره هستند ، اما بسیاری از عوامل نامشخص و حالت های خرابی جدید در خصوصیات مواد آنها وجود دارد و استفاده از روش های طراحی قطعی باعث انحراف بزرگ خواهد شد. بنابراین ، اتخاذ روشهای طراحی احتمالی برای سازه های موتور معمولی تحت مواد جدید ، ساختارهای جدید و سیستم های جدید فرآیند ضروری است. فن آوری های کلیدی برای طراحی احتمالی سازه های موتور معمولی
1. مدل احتمالی عوامل تصادفی (1) موتورهای هواپیمای پراکندگی بار ، به ویژه موتورهای نظامی ، مجبورند تعداد زیادی از مأموریت های پرواز مانند کروز ، بندهای ساده ، مانع های پیچیده ، سازندها ، حمله و رهگیری را انجام دهند و در نتیجه پراکندگی زیادی از بارهای کار ساختار موتور ، مانند بارهای مکانیکی ، بار هوایی ، بارهای بارز و دما را انجام دهند. ایجاد مدل احتمال بار موتور باید با فناوری پردازش طیف بار ترکیب شود و اصل تبدیل آسیب مانند طیف بار موتور و طیف بار ساختاری باید مورد بررسی قرار گیرد. با جمع آوری و پردازش طیف بار پرواز میدان موتور و طیف تست ، قانون تغییر بار ساختار موتور معمولی با گذشت زمان به دست می آید و از تئوری آماری برای تعیین ویژگی های آماری احتمال بار کار در ساختار موتور معمولی استفاده می شود.
(2) پراکندگی مواد تفاوت در فرآیند آماده سازی مواد ساختاری موتور منجر به پراکندگی پارامترهای عملکرد مکانیکی مواد (مانند مدل الاستیک ، نسبت پواسون ، منحنی استرس و غیره) می شود. در عین حال ، با توجه به پیچیدگی فناوری پردازش ، خصوصیات مواد قسمتهای مختلف ساختار موتور معمولی نیز به طور قابل توجهی متفاوت است. بنابراین ، ترکیب داده های آزمون نمونه های مواد استاندارد و قسمت های شبیه سازی مشخصه قسمت های مختلف ساختار برای ایجاد یک مدل احتمال تأیید شده توسط آزمایشات لازم است.
به عنوان مثال ، برای مقابله با پراکندگی رابطه با فشار استرس حلقوی مواد ، می توان فشار را به اجزای کرنش الاستیک و اجزای کرنش پلاستیکی تجزیه کرد و معادلات خطی اجزای کرنش الاستیک ، اجزای کرنش پلاستیکی و استرس به ترتیب ایجاد می شود. معادلات فوق به طور تصادفی انجام می شود و مدل احتمال فشار استرس چرخه ای با روش رگرسیون ایجاد می شود ، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است. (3) پراکندگی فرآیند فرآیند به پراکندگی ساختاری ناشی از عوامل تصادفی مانند تهیه مواد ، روشهای پردازش و فناوری تشخیص اشاره دارد.
تصادفی نقص اولیه. برای روش های آماده سازی مواد مانند جعل ، ریخته گری و فشار ایزوستاتیک داغ ، تعداد ، موقعیت و اندازه نقایص اولیه مانند اجزاء ، سوراخ ها و حفره های موجود در مواد تصادفی هستند ، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است. بنابراین ، لازم است روش های تشخیص آسیب های معادل برای نقایص سطح/زیرسطحی ایجاد شود و ایجاد یک مدل احتمالی نقص برای ساختارهای مختلف در مورد استفاده از موتور های مختلف. تصادفی بعد هندسی. ابعاد هندسی سازه های موتور معمولی به دلیل بی ثباتی فناوری پردازش مکانیکی تصادفی است. برای این منظور ، تعیین پارامترهای ابعاد هندسی کلیدی ساختارهای موتور معمولی از طریق تجزیه و تحلیل حساسیت و انجام آماری در مورد ابعاد هندسی کلیدی برای تعیین ویژگی های توزیع احتمال آنها ضروری است.
تصادفی استرس باقیمانده. ناپایداری فن آوری پردازش مانند فن آوری تصفیه سطح ساختار موتور (مانند لایه برداری شات ، تقویت لیزر) ، فناوری عملیات حرارتی (مانند محلول جامد ، پیری) و سایر فرآیندها (مانند جوش اصطکاک خطی ، جوشکاری پرتو الکترونی) منجر به استرس باقیمانده تصادفی در سطح و داخل ساختار می شود. مدل احتمال استرس باقیمانده باید از طریق شبیه سازی عددی ، بازرسی فرآیند و آمار ریاضی به طور سیستماتیک مورد مطالعه قرار گیرد.
تصادفی بودن فناوری تشخیص نقص. فن آوری های مختلف تشخیص منجر به تصادفی در اندازه و موقعیت حداقل نقص قابل تشخیص می شوند. احتمال تشخیص نقص (POD) برای توصیف این تصادفی معرفی شده است. با تهیه نمونه های آسیب دیده با انواع نقص کافی ، اندازه ها و موقعیت ها ، انجام تست های تشخیص نقص و ایجاد یک مدل ریاضی از داده های تشخیص ، منحنی غلاف فناوری تشخیص با پردازش آماری بدست می آید.
2. ساختار موتور معمولی ساختارهای موتور معمولی (مانند ساختارهای تیغه توربین) در معرض بارهای متناوب و متناوب پیچیده ای از میدان های چند حوزه گرمای گرم قرار می گیرند ، و حالت های خرابی آنها بیشتر خرابی های خستگی کامپوزیت ، مانند خستگی و خستگی ، خستگی ترمومیکالیک ، دمای کمربند با کمبود دمکیت و و غیره است. بارها/محیط های مبتنی بر آزمایشات به یک فناوری کلیدی برای طراحی احتمالی سازه های موتور تبدیل شده است. لازم است که تحقیقات نظری را با تأیید تجربی از نزدیک ترکیب کنیم تا مکانیسم حالت خرابی کامپوزیت ساختارهای موتور معمولی تحت بارهای/محیطهای پیچیده را نشان داده و روشهای پیش بینی زندگی خستگی کامپوزیت را توسعه داده و توسعه دهید. همراه با پراکندگی بارها ، مواد و فرآیندها ، یک مدل احتمال خرابی خستگی کامپوزیت ساختارهای موتور معمولی که با آزمایش تأیید شده است ، ایجاد شده است.
قدرت ساختاری و گروه تحقیقاتی بهینه سازی چند رشته ای از دانشگاه هوانوردی و فضانوردان پکن ، دیسک توربین فشار قوی موتور WP7 (ساخته شده از GH33) را به عنوان هدف برای مطالعه و توسعه مجموعه ای از مدل های احتمالی و روش های طراحی برای طرح های اتصال خستگی-Creep از حالت های نارسایی از ترکیبات ترکیبی که از آن استفاده می کنند ، از جمله دو شیوه آسیب دیده شده است ، از جمله شیوه های خسارت استفاده می کند ، برنامه ها (شکل 5). 3. فناوری تجزیه و تحلیل پاسخ احتمالی ساختاری
طراحی احتمالی سازه های موتور معمولی شامل رشته ها و ساختارهای پیچیده بسیاری است. به طور مستقیم با استفاده از روشهای عددی برای حل احتمال/قابلیت اطمینان خرابی ساختاری منجر به زمان محاسبه خیلی طولانی می شود. بنابراین ، ایجاد یک روش تجزیه و تحلیل پاسخ احتمالی ساختاری یک فناوری کلیدی برای طراحی احتمالی سازه های موتور معمولی است.
در حال حاضر ، روش سطح پاسخ همراه با روش مونت کارلو اغلب برای انجام تجزیه و تحلیل پاسخ احتمال ساختاری استفاده می شود ، و مجموعه ای از روشهای پاسخگویی با کارآیی بالا و با دقت بالا مناسب برای ساختارهای موتور معمولی برای حل مشکل محاسبه گسترده در تجزیه و تحلیل احتمال ساختاری تهیه شده است. روشهای نمونه برداری مانند روش Hypercube لاتین ، روش شبه مونت کارلو ، نمونه گیری سانتروئید لاتین و نمونه گیری مهم قابل استفاده است. روش های مدل سازی تقریبی مانند شبکه عصبی ، مدل Kriging و دستگاه بردار پشتیبانی را می توان انتخاب کرد (شکل 6).
4. تجزیه و تحلیل حساسیت عامل تصادفی
از طریق تجزیه و تحلیل حساسیت از عوامل تصادفی ، از یک سو ، عوامل اصلی مؤثر بر پراکندگی زندگی ساختاری قابل تعیین است ، و یک پایه طراحی برای طراحی احتمالی ساختارهای موتور معمولی فراهم می کند. از طرف دیگر ، متغیرهای تصادفی با شاخص های حساسیت کم در طراحی احتمال ساختاری می توانند به پارامترهای قطعی پردازش شوند ، در نتیجه باعث صرفه جویی در زمان محاسبه و بهبود راندمان راه حل می شوند. تمرکز بر پراکندگی عوامل تصادفی اصلی نسبت به سایر عوامل در بهبود صحت محلول احتمال/قابلیت اطمینان خرابی ساختاری مستقیم و قابل توجه است.
5. موتور سیستم طراحی احتمالی ساختار معمولی با هدف سیستم فرآیند مواد موتور هواپیمایی هواپیمایی من ، ایجاد یک موتور حمل و نقل هوایی یک پلت فرم طراحی ساختار معمولی با حقوق مالکیت معنوی مستقل همچنین یک فناوری کلیدی برای طراحی احتمال ساختار موتور است. تحقق پلت فرم طراحی احتمالی ساختار موتور به تعداد زیادی از محاسبات تکراری نیاز دارد. هر تغییر در مدل هندسی در طی فرآیند محاسبه باعث می شود داده های تجزیه و تحلیل مانند مش و شرایط مرزی به همین ترتیب تغییر کند. بنابراین ، فناوری اتصال بین مدل هندسی و مدل تجزیه و تحلیل ، بازسازی خودکار مش و بارگذاری خودکار مش مشکلات فنی است که باید حل شود.
به عنوان مثال ، قدرت ساختاری و گروه تحقیقاتی بهینه سازی چند رشته ای دانشگاه Beihang از بلوک های مجازی برای جایگزینی ساختارهای هندسی پیچیده برای ایجاد مشهای چند بلوک انعطاف پذیر استفاده می کند ، محدودیت های نقاط پیروان را برای دستیابی به بازسازی مش هندسی در ایتالیا بهینه سازی می کند ، و روند کار بهینه سازی را در مورد MARIDISIPISINARATIONS حل می کند (MASTERISINARATION MATERISINARATIONS) شکل 7 با حمایت از برنامه دفاع ملی 973 ، قدرت ساختاری و گروه تحقیقاتی بهینه سازی چند رشته ای دانشگاه Beihang یک فرآیند طراحی احتمالی دیسک توربین را بر اساس فرآیند طراحی قطعی دیسک های توربین ارائه داد و در ابتدا اولین سیستم طراحی احتمالی ساختاری دیسک توربین (TPDS) را در چین ایجاد کرد. این شامل عملکردهای اصلی پردازش طیف بار ، پردازش متغیر تصادفی ، مدل سازی هندسی ، تجزیه و تحلیل حالت شکست و تصمیم گیری طراحی است و نرم افزارهای تجاری مانند UG ، ANSYS و MATLAB را ادغام می کند ، همانطور که در شکل 8 نشان داده شده است. چندین جنبه که باید بیشتر مورد مطالعه قرار گیرند
فناوری طراحی احتمالی سازه های موتور معمولی به یکی از امیدوار کننده ترین فن آوری های کلیدی برای حل تنگنا تحقیق و توسعه پیشرفته موتور تبدیل شده است. به تدریج در توسعه بخش های کلیدی موتورهای پیشرفته هوایی در چین مورد استفاده قرار می گیرد. این برنامه به صورت محلی اعمال شده است و اثر شروع به نمایش می کند. در مرحله بعدی توسعه ، کار تحقیقاتی زیر باید عمیق تر و تقویت شود.
1. ساختار یکپارچه سازی ساختاری یکپارچه ساختاری ، و ادغام فرآیند و ادغام و تکرار ، مسیرهای اساسی برای بهبود سطح پیشرفت پیشرفته موتور هوایی است. کاربرد مؤثر از فناوری طراحی احتمالی ساختاری موتور از نظر یکپارچه مواد و فرآیندها جدا نیست. بنابراین ، طراحی احتمالی سازه های موتور باید از منبع طراحی شروع شود ، مکانیسم تأثیر و تنظیم منظم پارامترهای حساس تولید ساختاری معمولی را در مورد قابلیت اطمینان ساختارهای موتور آشکار کند ، و یک روش طراحی احتمالی از سازه های موتور معمولی را تشکیل دهد که یکپارچه سازی پارامترهای حساس تولید را ایجاد می کند ، در نتیجه تئوری و روش طراحی یکپارچه سازنده مواد-سازه ای را ایجاد می کند.
2. طراحی بهینه سازی چند رشته ای بر اساس قابلیت اطمینان ، طراحی ساختاری موتورهای هوایی شامل رشته های بسیاری از جمله آیرودینامیک ، مواد ، انتقال حرارت ، ساختار و قدرت است. رشته ها با یکدیگر همراه هستند. طراحی احتمالی یک رشته واحد نمی تواند تضمین کند که ساختار طراحی شده الزامات قابلیت اطمینان استفاده را برآورده می کند.
