涡轮冷却叶片结构可靠性分析方法研究

It is one of the key technologies in high-performance aeroengine design to accurately predict lifetime and reliability of cooled turbine blades with gas-solid thermal interaction. In this project, according to the peculiarities of gas-solid thermal interaction, multi-site damage and multi-mode failure, the reliability analysis methodologies of cooled turbine blades are proposed, which include the probabilistic method to collaboratively analyze the multi-disciplinary and multi-site response of structures with gas-solid thermal interaction, and the method to predict lifetime reliability of the structures considering multi-site damage and multi-mode failure. The distributed collaboration response surface method to collaboratively analyze probabilistic multi-disciplinary structural response is developed, by which the computational precision and efficiency of probabilistic response collaboration analysis of cooled turbine blades with gas-solid thermal interaction can be markedly improved. The multi-objective distributed collaboration response surface method to collaboratively analyze probabilistic structural multi-site response is presented, by which the probabilistic multi-site response collaboration analysis of cooled turbine blades can be realized more accurately and more efficiently. Based on the tests of crack propagation, high-low-cycle fatigue, fatigue-creep interaction of typical blade materials, and multi-site fatigue of blades, the probabilistic propagation models of crack around cooling holes, the probabilistic lifetime models of cooled turbine blades with low-cycle fatigue, high-cycle fatigue and creep interaction, and the probabilistic models of fatigue strength distribution in blades are established.

准确预测气-固-热耦合的涡轮冷却叶片结构寿命和可靠性，是新型高性能航空发动机研制的关键技术之一。本项目考虑气-固-热耦合、多危险部位相关和多失效模式耦合的特点，研究涡轮冷却叶片结构可靠性设计分析方法，主要包括：气-固-热耦合涡轮冷却叶片概率响应的多学科、多部位协同分析方法；考虑多失效模式耦合及多危险部位相关的涡轮冷却叶片结构寿命可靠性预测方法。发展结构多学科概率响应分析的分布式协同响应面方法，显著地提高涡轮冷却叶片结构气-固-热耦合概率响应协同分析的计算精度和效率。提出结构多部位概率响应协同分析的多目标协同响应面方法，以较高的精度和效率实现涡轮冷却叶片多危险部位概率响应的协同分析。在典型涡轮材料标准试件的裂纹扩展试验和复合疲劳试验、真实叶片试件的多部位疲劳试验的基础上，建立涡轮冷却叶片的气膜冷却孔边缘裂纹扩展概率模型、低循环-高循环疲劳-蠕变耦合寿命概率模型和各部位疲劳强度分布概率模型。

气-固-热多场载荷及环境的作用造成涡轮叶片结构以疲劳、蠕变等多模式耦合失效。同时，日益先进的冷却气流通道设计使得涡轮叶片结构变得更加复杂，导致其失效部位的不确定性变得更加显著，因此在涡轮冷却叶片结构可靠性设计中，不仅要考虑疲劳、蠕变等多失效模式的耦合性，而且还要考虑多危险部位失效的相关性。本项目以考虑多模式、多部位失效相关性为核心，开展涡轮冷却叶片结构可靠性设计理论与方法研究，分别从响应相关性和抗力相关性角度研究失效相关性的处理方法，重点研究涡轮冷却叶片结构概率响应的气-固-热多学科协同分析方法及多部位协同分析方法、考虑失效相关性的涡轮冷却叶片结构可靠性预测方法。针对气-固-热多学科协同概率分析，提出了基于学科分解的分布式协同响应面方法，在建立响应面模型的过程中实现学科分解，在响应面模型的利用过程中实现学科耦合，显著提高了涡轮冷却叶片气-固-热多学科协同概率分析的计算效率和精度。针对多部位协同概率分析，提出了多目标响应面方法，将各部位响应构成的一组向量作为响应面模型的输出目标，通过各部位响应的协同分析得到训练样本，建立人工神经网络响应面模型。针对考虑失效相关性的涡轮冷却叶片结构可靠性预测，建立了以部分试验验证的多模式耦合失效概率模型、多部位相关失效概率模型和小孔边裂纹扩展概率模型，与概率响应分析的多种响应面方法相结合，发展了考虑失效相关性的涡轮冷却叶片结构可靠性分析方法。本项目在涡轮冷却叶片结构概率响应的多学科及多部位协同分析、考虑失效相关性的可靠性分析两个方面取得了创新性研究成果，解决了涡轮冷却叶片结构可靠性设计的瓶颈问题，所提出的失效相关性处理方法对发展结构可靠性设计理论具有重要的学术意义，在航空发动机研制中开展涡轮冷却叶片结构可靠性设计具有现实的应用价值，也对其他行业类似的结构可靠性设计有参考价值。