多失效模式下耦合故障转子系统的可靠性与优化方法研究

以转子系统为工作主体的旋转机械，如汽轮机、压缩机、离心机、航空航天发动机等，在国防、交通、能源及石化等领域中发挥着无可替代的作用。转子系统的安全可靠运行直接影响生产的顺利进行。转子系统除了出现单一故障之外，还常常会出现两种或两种以上故障同时存在的情况，这里称这类转子系统为耦合故障转子系统。研究结果表明：耦合故障转子系统的动力学行为较单一故障转子更加复杂，而且相互影响。对于这一工程实际问题，本项目从可靠性的概念出发，以耦合故障转子系统为研究对象，建立多失效模式相关的耦合故障转子系统的可靠性模型，结合灵敏度技术，提出耦合故障转子系统的失效灵敏度分析方法，确定随机参数的统计特性对转子系统多种故障同时存在情况下的影响程度，结合优化技术，探索耦合故障转子系统的可靠性稳健优化分析方法，提出转子系统结构改进方案，研究成果将为旋转机械转子系统的故障预防、结构设计和优化分析提供理论依据。

以转子系统为工作主体的旋转机械，如汽轮机、压缩机、离心机、航空航天发动机等，在国防、交通、能源及石化等领域中发挥着无可替代的作用。转子系统的安全可靠运行直接影响生产的顺利进行。转子系统除了出现单一故障之外，还常常会出现两种或两种以上故障同时存在的情况，这里称这类转子系统为耦合故障转子系统。耦合故障转子系统的动力学行为较单一故障转子更加复杂，而且相互影响。基于这一工程实际问题，本项目从可靠性的概念为出发点，对耦合故障转子系统的可靠性、失效灵敏度和可靠性稳健优化方法进行了研究。本项目研究工作主要包括四部分：第一部分基于耦合故障转子系统的故障特性，应用随机摄动理论、概率统计方法和可靠性理论，对于油膜振荡和共振耦合故障转子系统、松动和碰摩故障转子系统的可靠性问题进行了研究。另外对于具有相关失效模式的转子系统，借助频率可靠性理论，提出了具有相关失效模式的转子系统频率可靠性分析方法；第二部分在耦合故障转子系统可靠性分析的基础上，应用灵敏度技术、矩阵微分理论，对油膜振荡和共振耦合故障转子系统的失效灵敏度问题进行了研究。对于具有相关失效模式的转子系统，根据转子系统的固有频率与激振频率差的绝对值不超过规定值的关系准则，定义具有相关失效模式转子系统共振问题的可靠性模式，提出考虑多失效模式相关性的转子系统的频率可靠性灵敏度分析方法,通过数值积分法确定了转子系统共振失效的二阶联合失效概率，对具有相关失效模式转子系统共振问题的失效灵敏度方法进行了研究；第三部分在可靠性和可靠性灵敏度分析的基础上，基于可靠性理论、四阶矩技术和稳健设计理论，提出了碰摩故障转子系统的可靠性稳健优化方法。另外，以频率作为判定标准，提出了转子系统的频率可靠性稳健优化方法。第四部分针对本文所提出的可靠性、失效灵敏度方法，采用蒙特卡罗仿真方法进行数值验证，验证结果表明，本项目所提方法具有一定的精度，计算效率明显优于蒙特卡罗方法。本项目的研究成果将为旋转机械转子系统的故障预防、结构设计和优化分析提供一定的理论依据。