航空发动机盘片轴一体化复杂系统动力学与疲劳可靠性及多层次结构优化方法研究

Disc-blade-shaft integration is the key technology to improve the thrust weight ratio of aero engine, and it is also a bottleneck problem to restrict the development of a new generation engine in our country. According to the significant development strategic of our national aviation industry, the analysis framework is proposed including dynamics calculation, fatigue life prediction, reliability assessment, structure optimization, and experiment verification. Multi-field loads are taken as input conditions. Based on the proposed analysis method of pre-stress substructure, explicit and implicit coordination dynamics, the traditional problem of large-scale complex structure calculation is solved successfully. The analysis approach is explored by a united model of strain criterion, stress modification, and high-low cycle fatigue damage mechanics. Complex problems of fatigue life are solved with the great science and engineer significance. With the coupling effects of multi-random parameters in structural probability life, analysis model of multiple failure and synthesis reliability is established. Combining such factors as structural response, fatigue life and reliability, multi-level structure optimization analysis method is proposed on the basis of CUDA parallel optimization hybrid algorithm. Accordingly, the flow of analysis is built based on complex systematic dynamics, fatigue reliability and multi-level structure optimization. Then systematic and effective analysis theory and system method are formed in the new type of aero-engine disc-blade-shaft integration.

盘片轴一体化是实现提高航空发动机推重比目标的核心技术，也是制约我国研制新一代发动机的瓶颈问题之一。针对国家航空工业发展的重大战略需求，提出包括复杂系统动力学特性研究、疲劳寿命预测、可靠性评估、结构优化及试验验证在内的分析框架，提出以多物理场载荷为输入，基于预应力子结构与显隐式协同动力学分析方法，突破传统复杂结构的大规模计算难题；探究应变准则与应力修正联合模型及高低周疲劳损伤力学分析方法，实现具有科学与工程意义的复合疲劳寿命准确预测；在结构概率寿命多随机参量耦合作用的研究基础上，建立多失效模式综合可靠性分析模型；提出基于CUDA并行优化混合算法，综合结构响应、疲劳寿命及可靠性等多方面因素创新多层次结构优化分析方法。据此构建新型航空发动机盘片轴一体化复杂系统动力学与疲劳可靠性及多层次多元结构优化分析流程，形成系统、有效的理论体系与分析方法。

航空发动机是国家科技水平和国防实力的重要标志，高性能航空发动机研发技术对国家安全战略保障具有重要意义。推重比是衡量航空发动机技术的重要指标，采用盘片轴一体化转子是提高推重比的重要措施之一。由于盘片轴一体化转子振动阻尼能力较弱，并且经常处于高应力状态，导致各种振动和疲劳故障经常发生，严重影响航空发动机的可靠性和稳健性。因此开展盘片轴一体化转子动力学性能及相关研究十分必要。. 本课题以盘片轴一体化转子为研究对象，进行了系统动力学、复杂结构疲劳可靠性和多层次结构优化分析，主要内容和成果如下：. 针对盘片轴一体化结构大规模网格问题，提出适用于多级转子的改进混合界面模态综合法实现模型的高精度减缩，解决了复杂结构大规模计算难题，丰富了大型转子动力学模型降阶理论。基于盘片轴一体化转子结构和受载特点，依据不同应变准则和多种应力修正联合方法，完成一体化转子低周，高周和高低周复合疲劳寿命预测，为复杂转子损伤失效研究提供了重要依据。在应力-强度干涉模型基础上，考虑载荷历程、性能退化和概率寿命随机参量，建立变幅载荷下盘片轴一体化转子剩余强度可靠性模型。采用矩法，Edgeworth级数法和Kriging法获得盘片轴一体化转子可靠度，发展了多部位损伤一体化系统动态可靠性分析方法。建立多级叶盘集中参数模型，提出改进麻雀优化算法开展失谐叶片优化排序，完善了焊接式一体化转子振动抑制策略。以上研究成果对于提高盘片轴一体化航空发动机研发水平具有重要工程应用价值。. 课题执行期间发表学术论文42篇，出版著作1部，培养博士4人，硕士3人，参加学术会议5次，申请软件著作权2项。. 本课题的科学意义在于，基于所提出动力学减缩方法，耦合疲劳寿命预测模型，动态可靠性分析体系和多层次优化方案，阐释了多级叶盘的耦合振动机理，明确了一体化转子的失效形式，揭示了多级叶盘失谐模式对振动局部化的影响规律，丰富和发展了盘片轴一体化结构复杂系统动力学理论与疲劳可靠性及多层次优化方法。