燃气涡轮发动机加速寿命试验试车方法
【专利摘要】本发明公开了一种燃气涡轮发动机加速寿命试验试车方法，包括以下步骤：建立在燃气涡轮发动机模拟运行条件下的加速因子分析模型；依据所述加速因子分析模型，利用支持向量机法建立三维有限元应力分析的代理模型；利用所述代理模型得到加速因子分析模型的危险点应力，获取所述加速因子分析模型的寿命指标；利用蒙特卡洛方法对所述寿命指标的随机变量进行随机模拟；建立并分析应力在燃气涡轮发动机模拟运行条件下的加速寿命试验方案的优化设计数学模型，依据所述优化设计数学模型对试验方案进行优化；采用混合优化法优化数学模型，依据优化后的数学模型获取优化后的加速寿命试验方案。降低试验周期，减少寿命试验经费。
【专利说明】燃气润轮发动机加速寿命试验试车方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃气涡轮发动机试验领域，特别地，涉及一种燃气涡轮发动机加速寿命试验试车方法。
【背景技术】
[0002]可靠性及耐久性是燃气涡轮发动机的重要指标。作为可靠性试验中最重要、最基本内容之一的寿命试验具有非常重要的地位，通过其可以获得产品寿命的分布规律，计算出产品的失效率和平均寿命等重要可靠性指标。早期的燃气涡轮发动机寿命较短，并采用定期翻修的寿命管理模式。其寿命试验方法通常是1:1寿命长期试车，且一般先进行首翻期寿命考核，发动机翻修后的寿命则再进行寿命长试，直至确定出总寿命。但是近20年来，由于燃气涡轮发动机设计水平及维护能力的提高，燃气涡轮发动机寿命提高了 2?4倍，而且有的已取消了翻修寿命，转而采用单元体视情维护的寿命管理模式，这对于寿命试验来说，相应带来了试验周期长、资金和人力耗费巨大等一系列困难，甚至在某些情况下造成工程上难以接受。因此很有必要采取一定技术手段克服此困难。
[0003]加速寿命试验技术是解决这一难题的有效途径。加速寿命试验是在进行合理工程及统计假设的基础上利用与物理失效规律相关的统计模型对在超出正常应力水平的加速环境下获得的可靠性信息进行转换，得到试件在额定应力水平下可靠性特征的可复现的数值估计的一种试验方法。
[0004]发动机实际工作中会根据飞机/直升机等载具的实时需求提供不同的功率或推力，即发动机转速、温度载荷在不断变化，其随时间的变化关系被称为载荷谱。发动机的损伤主要有两大类，一类是持久损伤，主要就是在大状态(状态指转速及温度的高低情况)下长时工作下的持久损伤，另一类是小、大状态之间来回经历所产生的循环疲劳损伤。传统的发动机加速寿命试车方法主要是对载荷谱中的小状态进行舍弃或者是等效换算到大状态。这种方法能够较好对持久损伤(发动机叶片类零件的主要失效模式)进行加速模拟，但是对于疲劳损伤(发动机盘类零件的主要失效模式)则很难进行加速模拟，因此寿命试验循环数仍然较多，费用仍然较高。
【发明内容】
[0005]本发明目的在于提供一种燃气涡轮发动机加速寿命试验试车方法，以解决现有加速寿命试验技术难以对疲劳损伤进行实施，会引起寿命试验循环数较多、费用仍高的技术问题。
[0006]为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:
[0007]一种燃气涡轮发动机加速寿命试验试车方法，包括以下步骤:a、建立在燃气涡轮发动机拟运行条件下的加速因子分析模型；b、依据加速因子分析模型，利用支持向量机法建立三维有限元应力分析的代理模型；c、利用代理模型得到加速因子分析模型的危险点应力，获取加速因子分析模型的寿命指标；d、利用蒙特卡洛方法对寿命指标的随机变量进行随机模拟；e、建立并分析应力在燃气涡轮发动机模拟运行条件下的加速寿命试验方案的优化设计数学模型，依据优化设计数学模型对试验方案进行优化；f、采用混合优化法优化数学模型，依据优化后的数学模型获取优化后的加速寿命试验方案。
[0008]进一步地，步骤a中的加速因子分析模型选取轮盘。
[0009]进一步地，轮盘疲劳寿命与结构的最大当量应力以及材料温度有关，而最大当量应力由离心荷载和温度荷载综合确定，即轮盘疲劳寿命L是转速和温度的函数，因此得到:
[0010]L = f ( O , T) (I)
[0011]ο = f (η, Τ) (2)
[0012]故L = f(n, Τ) (3)
[0013]轮盘的加速因子定义为:
[0014]τ L = L/L0 = f (n0, T0) /f (η, Τ) (4)
[0015]式中:σ——轮盘的应力；
[0016]η—加速试验下轮盘的转速；nQ——不加速试验下轮盘的转速；
[0017]T—加速试验下轮盘的温度；!；一不加速试验下轮盘的温度；
[0018]以上各式的求解采用有限元法直接求解或者利用支持向量机法建立代理模型求解。
[0019]进一步地，步骤b中的代理模型是指在可接受的精度降低情况下构造的一个计算量小，计算周期短，但计算结果与原有数值分析或物理试验结果相近的数学模型。
[0020]进一步地，步骤b中代理模型的建立包括以下步骤:g、利用设定数量的轮盘进行三维有限元应力分析，得到不同转速和不同温度对应的寿命指标点，这些寿命指标点称为原始样本点；h、随机挑取80%左右的原始样本点作为训练样本点，按照支持向量机的建模原理建立代理模型；1、取剩余的20%左右的原始样本点作为检测样本点，监测代理模型精度，若误差大于5%，则重复步骤h和步骤i直到满足要求为止。
[0021 ] 进一步地，步骤c中获取轮盘危险点应力后，利用轮盘材料的应变-寿命曲线得到轮盘寿命指标，得到:./η*
[0022]
【权利要求】
1.一种燃气涡轮发动机加速寿命试验试车方法，其特征在于，包括以下步骤: a、建立在燃气涡轮发动机模拟运行条件下的加速因子分析模型； b、依据所述加速因子分析模型，利用支持向量机法建立三维有限元应力分析的代理模型； C、利用所述代理模型得到加速因子分析模型的危险点应力，获取所述加速因子分析模型的寿命指标； d、利用蒙特卡洛方法对所述寿命指标的随机变量进行随机模拟； e、建立并分析应力在燃气涡轮发动机模拟运行条件下的加速寿命试验方案的优化设计数学模型，依据所述优化设计数学模型对试验方案进行优化； f、采用混合优化法优化数学模型，依据优化后的数学模型获取优化后的加速寿命试验方案。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机加速寿命试验试车方法，其特征在于， 所述步骤a中的加 速因子分析模型选轮盘。
3.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机加速寿命试验试车方法，其特征在于， 轮盘疲劳寿命L是转速和温度的函数，因此得到: L = f(o ,T) (I) σ = f(n, T) (2) ^L = f(n,T) (3) 轮盘的加速因子定义为: τ L = L/L0 = f (n0, T0) /f (η, Τ) (4) 式中:σ-轮盘的应力； η—加速试验下轮盘的转速；％—不加速试验下轮盘的转速； T—加速试验下轮盘的温度Jtl—不加速试验下轮盘的温度； 以上各式的求解采用有限元法直接求解或者利用支持向量机法建立代理模型求解。
4.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机加速寿命试验试车方法，其特征在于， 所述步骤b中的代理模型是指在可接受的精度降低情况下构造的一个计算量小，计算周期短，但计算结果与原有数值分析或物理试验结果相近的数学模型。
5.根据权利要求4所述的燃气涡轮发动机加速寿命试验试车方法，其特征在于， 所述步骤b中代理模型的建立包括以下步骤: g、利用设定数量的轮盘进行三维有限元应力分析，得到不同转速和不同温度对应的寿命指标点，这些寿命指标点称为原始样本点； h、随机挑取80%左右的原始样本点作为训练样本点,按照支持向量机的建模原理建立代理模型； 1、取剩余的20%左右的原始样本点作为检测样本点，监测代理模型精度，若误差大于5%,则重复步骤h和步骤i直到满足要求为止。
6.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机加速寿命试验试车方法，其特征在于， 所述步骤c中获取轮盘危险点应力后，利用轮盘材料的应变-寿命曲线得到轮盘寿命指标，得到:
7.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机加速寿命试验试车方法，其特征在于， 所述步骤d中随机模拟，利用蒙特卡洛法对轮盘寿命指标随转速及温度随机波动而变化的分布进行模拟，并得到轮盘疲劳寿命估计值方差； 再利用试验参数估算得到威布尔分布的形状参数。
8.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机加速寿命试验试车方法，其特征在于， 所述步骤e中，加速寿命试验的转速及温度是可调节的，其中轮盘所处的温度是一个范围值，使轮盘上各个部位具有不同的温度，各部位之间产生热应力，得到相应的优化数学模型如下， 目标函数:加速系数最大以及疲劳寿命估计值方差最小； 优化设计变量:转速、轮心温度和轮缘温度； 约束条件:加速前后轮盘寿命分布的威布尔形状参数相同以及轮盘最大应力点出现位置相同。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的燃气涡轮发动机加速寿命试验试车方法，其特征在于， 所述步骤f中混合优化法采用遗传算法与序列二次规划算法相结合的混合优化算法，即先利用遗传算法在全局层面大致寻找到一个初步优化解，再利用序列二次规划算法在初步优化解附近寻找最终的优化解。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的燃气涡轮发动机加速寿命试验试车方法，其特征在于， 所述步骤b中支持向量机法包括以下步骤: 给定一组样本数据ki，yj，i=l,2,..., I,其中Xi e Rm, Ji e R,利用一个非线性映射Φ，将数据X映射到高维特征空间F，并在这个空间进行线性逼近，找到映射f使其能够很好逼近给定数据组，由统计学习理论得到该函数具有以下形式:f (X) = (ω , φ (X)) +b, Φ:R — F, ω e F (7) 函数逼近问题等价于使如下泛函最小:
【文档编号】G06F17/50GK103970965SQ201410224789
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月26日 优先权日:2014年5月26日
【发明者】米栋, 钱正明, 蔡显新 申请人:中国航空动力机械研究所