考虑失谐影响的叶盘结构动态可靠性设计方法研究

In a bladed disk, mistuning would lead to the vibration localization, markedly change vibration modes, greatly increase vibration response, and evidently influence the high cycle fatigue life and reliability. This project researches theories and methods of two-level dynamic reliability design of mistuning bladed disks in jet engines. In the first level, anti-resonance reliability design, the frequency divergence among blades and the mode localization of vibration are considered. In the second level, fatigue life reliability design, the response localization of vibration is considered. The main contents of this project include anti-resonance reliability analysis method considered the frequency divergence among blades and mode localization of vibration in mistuning bladed disk systems, probabilistic analysis method of dynamic and static cooperative response in random mistuning bladed disks to consider the correlations between dynamic and static response, and fatigue life reliability analysis methods of mistuning bladed disks considered the response localization of vibration. The multi-level distributed collaboration response surface methods based on both sub-structural and multidisciplinary decompositions are presented to highly improve the precision and efficiency of dynamic reliability analysis of mistuning bladed disks. The failure correlations between high cyclic fatigue and low cyclic fatigue are considered in two aspects, namely the common cause correlation and the causal relationship correlation, to raise the value of engineering application of the high-low coupling cycle fatigue life reliability analysis.

叶盘结构失谐导致振动局部化会显著地改变振动模态和加剧振动响应，从而对其高循环疲劳寿命和可靠性带来影响。本项目从避共振可靠性设计和疲劳寿命可靠性设计两个层次研究航空燃气轮机失谐叶盘结构动态可靠性设计的理论与方法，在第一层次考虑各叶片之间频率分散性和振动模态局部化的影响，在第二层次考虑振动响应局部化的影响，主要研究内容包括：考虑各叶片之间固有频率分散性的叶片系统和考虑振动模态局部化影响的失谐叶盘系统避共振可靠性分析方法；考虑动态响应与静态响应之间相关性的失谐叶盘结构动/静态协同响应概率分析方法；考虑振动响应局部化影响的失谐叶盘结构疲劳寿命可靠性分析方法。提出同时基于子结构分解和学科分解的多层次分布式协同响应面方法，将显著提高失谐叶盘结构动态可靠性分析的精度和效率；分别从共因失效相关性和因果失效相关性两个角度考虑高/低循环疲劳失效相关性，使高/低循环耦合疲劳寿命可靠性分析方法更具有工程应用价值。

失谐对于航空发动机叶盘结构是不可避免的客观事实，因失谐所产生的模态局部化和振动响应局部化现象改变了叶盘结构的模态特性和响应特性，进而影响了其可靠性与完整性。针对实际工况中叶盘结构失谐的随机不确定性，本项目以考虑随机失谐所导致模态局部化及振动响应局部化为核心，综合考虑叶盘结构在工作中的动态特性，开展了失谐叶盘结构动态可靠性设计方法研究。针对叶片系统避共振可靠性分析，发展了先进抽样方法及响应面模型方法，代替了大量强耦合、高非线性的动力学仿真过程，显著提高了叶片结构模态概率分析的精度和效率，并建立了考虑各叶片间固有频率分散性的叶片系统避共振可靠性分析模型。针对随机失谐叶盘结构避共振可靠性分析，提出了改进动态子结构减缩建模方法，大幅缩减了失谐叶盘动力学仿真中结构的主模态数和自由度数，显著提升了分析效率，以此为基础建立了考虑模态局部化的失谐叶盘结构避共振可靠性分析模型。针对随机失谐叶盘结构动/静态协同响应概率分析，提出了基于学科分解的分布式协同响应面方法，该方法在响应面建立过程中进行了学科分解，在响应面使用过程中实现了学科耦合。针对结构动、静态响应概率分析，分别发展了高精度响应面方法，完成了考虑动、静态响应相关性的结构动/静态协同响应概率分析。针对随机失谐叶盘结构高循环和高/低循环耦合疲劳寿命可靠性分析，将结构响应概率分析与累计损伤疲劳寿命模型有机结合，分别基于学科分解的分布式协同响应面方法和子结构分解的分布式协同响应面方法，建立了考虑振动响应局部化的失谐叶盘结构高循环和高/低循环耦合疲劳寿命可靠性分析模型。本项目在航空发动机随机失谐叶盘结构避共振可靠性设计方法和疲劳寿命可靠性设计方法两个方面取得了创新性研究成果，解决了随机失谐叶盘结构可靠性设计中的瓶颈问题，所提理论与方法对拓展结构动力学研究领域具有重要的学术意义，对航空发动机叶盘结构研制具有现实的指导意义，也对类似复杂结构动态可靠性设计问题具有重要的参考意义。