本發(fā)明涉及航空發(fā)動(dòng)機(jī)概率損傷容限評(píng)估，具體涉及一種基于應(yīng)力分布建立輪盤分區(qū)模型的方法。

背景技術(shù)：

1、航空發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件是指由于原發(fā)失效可能導(dǎo)致危害發(fā)動(dòng)機(jī)安全性的轉(zhuǎn)子和主要靜子結(jié)構(gòu)件。限壽件一旦出現(xiàn)概率極小的缺陷，其安全性將受到嚴(yán)峻的威脅。因此，美國(guó)航空工業(yè)界提出一套加強(qiáng)的壽命管理流程來(lái)保障限壽件安全性，其核心是考慮限壽件出現(xiàn)的概率極小的缺陷，對(duì)其進(jìn)行概率損傷容限評(píng)估。該評(píng)估方法結(jié)合缺陷、載荷、無(wú)損檢測(cè)等隨機(jī)因素，計(jì)算航空發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件的失效風(fēng)險(xiǎn)，衡量限壽件設(shè)計(jì)方案的安全性。

2、以輪盤為例，由于初始缺陷尺寸與在輪盤中的出現(xiàn)位置都存在隨機(jī)性，因此需要基于輪盤應(yīng)力分布進(jìn)行分區(qū)研究。其核心是通過(guò)有限元軟件對(duì)輪盤進(jìn)行應(yīng)力分析，再根據(jù)一定的分區(qū)判據(jù)建立分區(qū)算法，獲得應(yīng)力及分區(qū)特征，從而開(kāi)展基于輪盤分區(qū)的失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。因此，需形成輪盤應(yīng)力分區(qū)模型建立方法：基于有限元計(jì)算結(jié)果，開(kāi)發(fā)應(yīng)力分區(qū)算法，在主應(yīng)力正交平面將輪盤分為多個(gè)風(fēng)險(xiǎn)相近的區(qū)域，最后進(jìn)行失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

3、國(guó)外最新的分區(qū)方法是基于預(yù)分區(qū)的自動(dòng)分區(qū)方法。該方法將應(yīng)力、溫度等特征相近的有限元進(jìn)行預(yù)分區(qū)，包括計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)面、確定風(fēng)險(xiǎn)限制位置、執(zhí)行自動(dòng)分區(qū)算法等工作，其主要的計(jì)算成本在于訓(xùn)練點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了本發(fā)明公開(kāi)了一種基于應(yīng)力分布建立輪盤分區(qū)模型的方法，本發(fā)明采用有限元參數(shù)化建模，提取主應(yīng)力正交平面作為裂紋擴(kuò)展平面，將全部應(yīng)力分量納入計(jì)算范圍，同時(shí)考慮非對(duì)稱加工特征的影響；基于坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換方法，將主應(yīng)力正交平面上點(diǎn)的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為二維坐標(biāo)，降低維度并簡(jiǎn)化計(jì)算步驟；本發(fā)明直接以應(yīng)力與位置為依據(jù)實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)分區(qū)，效率大幅提高，同時(shí)將區(qū)域分類為內(nèi)部區(qū)域、表面區(qū)域和角區(qū)域，基于應(yīng)力相似、表面區(qū)域細(xì)化和幾何連續(xù)性判斷，可以高效準(zhǔn)確地進(jìn)行分區(qū)評(píng)估限壽件概率損傷容限的分區(qū)結(jié)果，本發(fā)明考慮輪盤不同位置裂紋的危險(xiǎn)性差異，最終分區(qū)結(jié)果與faa適航咨詢通告提供的算例形狀一致。本發(fā)明為航空發(fā)動(dòng)機(jī)輪盤的概率損傷容限評(píng)估提供技術(shù)支撐，具有重要的工程意義和實(shí)際價(jià)值。

2、本發(fā)明提供了一種基于應(yīng)力分布建立輪盤分區(qū)模型的方法，包括：

3、步驟s1、建立輪盤結(jié)構(gòu)體有限元模型；對(duì)輪盤結(jié)構(gòu)體有限元模型施加周期性外力；

4、步驟s2、確定輪盤結(jié)構(gòu)體的疲勞裂紋起始位置和主應(yīng)力正交平面方向并提取裂紋擴(kuò)展平面，表征為主應(yīng)力正交平面；

5、獲取主應(yīng)力正交平面各個(gè)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)和各個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值；

6、步驟s3、將主應(yīng)力正交平面中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行降維處理，得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的二維坐標(biāo)；

7、步驟s4、對(duì)所述降維處理后的主應(yīng)力正交平面進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，所述各個(gè)單元包括多個(gè)節(jié)點(diǎn)、各個(gè)節(jié)點(diǎn)二維坐標(biāo)、各個(gè)節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及各個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值；

8、步驟s5、識(shí)別各個(gè)單元的單元類型；

9、步驟s6、獲取各個(gè)單元的最大應(yīng)力值，基于各個(gè)單元的最大應(yīng)力值獲得主應(yīng)力正交平面的最大應(yīng)力值；

10、基于所述主應(yīng)力正交平面的最大應(yīng)力值設(shè)置主應(yīng)力正交平面的應(yīng)力值區(qū)間；

11、步驟s7、設(shè)置應(yīng)力梯度，按照所述應(yīng)力梯度對(duì)應(yīng)力值區(qū)間進(jìn)行第一次應(yīng)力分區(qū)；

12、步驟s8、按照單元類型，對(duì)第一次應(yīng)力分區(qū)后的應(yīng)力區(qū)間進(jìn)行第二次應(yīng)力分區(qū)，得到多個(gè)應(yīng)力分區(qū)；

13、步驟s9、令n＝1，當(dāng)n＝1時(shí)，表示第一個(gè)應(yīng)力分區(qū)；

14、步驟s10、基于幾何連續(xù)性原則對(duì)第n個(gè)應(yīng)力分區(qū)中各個(gè)單元進(jìn)行處理，判斷對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分區(qū)是否存在幾何不連續(xù)單元，若是，基于所述幾何不連續(xù)單元?jiǎng)?chuàng)建第n+1個(gè)應(yīng)力分區(qū)，令n＝n+1，并更新應(yīng)力區(qū)間總數(shù)n，返回步驟s9；

15、若否，得到第n個(gè)更新應(yīng)力分區(qū)，并記錄，進(jìn)入下一步驟；

16、步驟s11、重復(fù)步驟s9-s10，遍歷各個(gè)應(yīng)力分區(qū)，得到多個(gè)更新應(yīng)力區(qū)，基于所述多個(gè)更新應(yīng)力分區(qū)建立輪盤結(jié)構(gòu)分區(qū)模型。

17、優(yōu)選的，步驟s2所述獲取主應(yīng)力正交平面各個(gè)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)的具體步驟包括：

18、獲取主應(yīng)力正交平面與輪盤結(jié)構(gòu)體有限元模型的多個(gè)交點(diǎn)；

19、將各個(gè)交點(diǎn)表征為主應(yīng)力正交平面各個(gè)節(jié)點(diǎn)，獲得各個(gè)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，通過(guò)線性插值得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的主應(yīng)力值。

20、優(yōu)選的，獲得各個(gè)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)和各個(gè)節(jié)點(diǎn)主應(yīng)力值的具體步驟包括：

21、采用有限元軟件abaqus獲取施加外力后的輪盤結(jié)構(gòu)體有限元模型的應(yīng)力最大點(diǎn)；

22、將所述應(yīng)力最大點(diǎn)設(shè)置為疲勞裂紋起始位置，確定主應(yīng)力正交平面方向；基于彈性力學(xué)三階應(yīng)力狀態(tài)方程和疲勞裂紋起始位置獲得輪盤結(jié)構(gòu)體的主應(yīng)力值；

23、基于所述疲勞裂紋起始位置和主應(yīng)力正交平面方向，提取主應(yīng)力正交平面；將所述主應(yīng)力正交平面表征為裂紋擴(kuò)展平面；

24、判斷輪盤結(jié)構(gòu)體有限元模型中兩兩相鄰節(jié)點(diǎn)是否與主應(yīng)力正交平面存在交點(diǎn)，獲取主應(yīng)力正交平面與輪盤結(jié)構(gòu)體有限元模型的多個(gè)交點(diǎn)；

25、將各個(gè)交點(diǎn)表征為主應(yīng)力正交平面的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，獲得各個(gè)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)；

26、通過(guò)線性插值計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值。

27、優(yōu)選的，所述主應(yīng)力正交平面包括邊界節(jié)點(diǎn)，所述邊界節(jié)點(diǎn)所連接的單元數(shù)為1和/或2/3。

28、優(yōu)選的，步驟s5所述單元類型為內(nèi)部單元、角單元和表面單元。

29、優(yōu)選的，識(shí)別各個(gè)單元的單元類型的具體步驟包括：

30、獲取各個(gè)單元中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及邊界節(jié)點(diǎn)，判斷各個(gè)單元中邊界節(jié)點(diǎn)數(shù)是否＞1，若是，則對(duì)應(yīng)的單元為表面單元，若否，則對(duì)應(yīng)的單元為內(nèi)部單元；

31、計(jì)算表面單元或內(nèi)部單元中各個(gè)節(jié)點(diǎn)被共用的單元數(shù)；

32、判斷各個(gè)節(jié)點(diǎn)被共用的單元數(shù)是否等于1，若是，則對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)為角節(jié)點(diǎn)，繼續(xù)下一步驟，若否，進(jìn)入下一步驟；

33、判斷各個(gè)單元是否含有角節(jié)點(diǎn)，若是，則判定對(duì)應(yīng)的單元為角單元，若否，則保留原單元類型。

34、優(yōu)選的，步驟s7所述第一次應(yīng)力分區(qū)為將應(yīng)力值相似的節(jié)點(diǎn)劃分到對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分區(qū)。

35、優(yōu)選的，進(jìn)行第二次應(yīng)力分區(qū)具體步驟包括：

36、按照單元類型對(duì)各個(gè)應(yīng)力分區(qū)進(jìn)行近表面分區(qū)，得到多個(gè)內(nèi)部應(yīng)力分區(qū)和多個(gè)表面應(yīng)力分區(qū)；

37、近表面分區(qū)后，對(duì)剩余單元進(jìn)行角單元分區(qū)，得到多個(gè)角單元應(yīng)力分區(qū)。

38、優(yōu)選的，步驟s10所述得到第n個(gè)更新應(yīng)力分區(qū)的具體步驟包括：

39、步驟s10-1、選取第n個(gè)應(yīng)力分區(qū)；

40、步驟s10-2、判斷第n個(gè)應(yīng)力分區(qū)中單元數(shù)是否為1，若是，則表示該應(yīng)力分區(qū)為幾何連續(xù)應(yīng)力分區(qū)，并記錄；

41、若否，則將第n個(gè)應(yīng)力分區(qū)中所有單元標(biāo)注為余，選取任意單元標(biāo)注為源，

42、步驟s10-3、在多個(gè)余單元中尋找與源單元的所有相鄰單元，并將所有的相鄰單元命名為相鄰源單元集；

43、步驟s10-4、重復(fù)步驟步驟s10-3，遍歷第n個(gè)應(yīng)力分區(qū)中所有余單元直至無(wú)法找到新的單元，判斷對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分區(qū)中是否還有沒(méi)有參與幾何連續(xù)性判斷的單元，若有，則表示該應(yīng)力分區(qū)中存在與多個(gè)幾何連續(xù)單元不相鄰的剩余單元，基于所述剩余單元?jiǎng)?chuàng)建新分區(qū)，得到第n+1個(gè)應(yīng)力分區(qū)，令n＝n+1，返回步驟s10-1；

44、若無(wú)，則表示對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分區(qū)具有幾何連續(xù)性，得到第n個(gè)更新應(yīng)力分區(qū)；

45、步驟s10-5、遍歷各個(gè)應(yīng)力分區(qū)，重復(fù)步驟步驟s10-1步驟s10-4，得到多個(gè)更新應(yīng)力分區(qū)。

46、優(yōu)選的，第二次應(yīng)力分區(qū)后得到的分區(qū)總數(shù)nzone，表達(dá)式為：

47、nzone＝2nstress+ncorner

48、其中，ncorner表示角單元的數(shù)目,nstress表示應(yīng)力區(qū)間的數(shù)目。

49、本發(fā)明還包括：步驟12、基于輪盤應(yīng)力分區(qū)模型進(jìn)行輪盤的失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

50、(1)本發(fā)明的模型建立在主應(yīng)力正交平面的基礎(chǔ)上，將全部應(yīng)力分量納入計(jì)算范圍，且考慮非對(duì)稱加工特征的影響；

51、(2)本發(fā)明通過(guò)將主應(yīng)力正交平面上點(diǎn)的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為二維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)降低計(jì)算維度并簡(jiǎn)化步驟的效果；

52、(3)本發(fā)明以應(yīng)力與位置為依據(jù)實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)分區(qū)，計(jì)算效率相對(duì)更高，計(jì)算成本更低。