一种涡轮叶片区间损伤容限分析方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN108875266A(43)申请公布日2018.11.23(21)申请号201810736071.6(22)申请日2018.07.06(71)申请人湖南大学地址410082湖南省长沙市麓山南路1号(72)发明人姜潮龙湘云刘凯李玮鹏(74)专利代理机构长沙惟盛赟鼎知识产权代理事务所(普通合伙)43228代理人周友福(51)Int.Cl.G06F17/50(2006.01)权利要求书2页说明书7页附图3页(54)发明名称一种涡轮叶片区间损伤容限分析方法(57)摘要本发明针对样本缺乏的情况下，提出了一种涡轮叶片区间损伤容限分析方法。由于在裂纹结构中，部分参数之间相关性，如两个裂纹扩展速率常数，而部分参数之间为独立参数，如载荷与裂纹尺寸等，方法中引入了新颖的平行六面体模型以对同时包含相关区间参数又包含独立区间参数的情形进行度量。通过该平行六面体模型，多为相关区间参数将统一归一化到独立标准超立方体中，在该标准空间中，采用子区间分析方法预测涡轮叶片的疲劳裂纹扩展寿命上下边界。该方法可同时考虑独立和相关区间变量，且解决了参数的大不确定性问题，推动涡轮叶片损伤容限不确定性分析的工程实用化。CN108875266ACN108875266A权利要求书1/2页1.一种涡轮叶片区间损伤容限分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，第一步：涡轮叶片的三维裂纹扩展建模，采用基于线弹性断裂力学的Paris公式来预测疲劳裂纹扩展寿命：式中，a代表裂纹尺寸，N代表加载次数(裂纹扩展寿命)，C和m是只与材料有关的参数，ΔK代表一个循环中的应力强度因子幅值：ΔK＝Kmax-Kmin式中，Kmax和Kmin分别代表一次循环加载时应力强度因子(SIFs)的最大值和最小值；第二步：参数不确定性度量，发展一种基于区间分析的损伤容限不确定性分析方法，根据参数的变化区间即可预测疲劳裂纹扩展寿命的上下界，涡轮叶片的疲劳裂纹扩展寿命在一个区间范围内变动：N(x)＝[NL(x),NR(x)],式中，NL(x)和NR(x)分别表示裂纹扩展寿命的上下边界；第三步：相关变量独立化，由于裂纹扩展模型中，裂纹扩展常数C和m之间通常存在相关性关系，而裂纹扩展常数与载荷之间又相互独立，引入平行六面体凸模型对其进行统一度量；第四步：疲劳裂纹扩展寿命子区间划分，在标准空间中，通过子区间分析方法，区间可被划分为若干子区间；第五步：疲劳扩展寿命区间预测，获得N(δI)的上下边界。2.如权利要求1所述的涡轮叶片区间损伤容限分析方法，其特征在于，在第一步中，上述ΔK的计算依赖于疲劳加载的形式，裂纹为I型，则ΔK＝ΔKI；裂纹为复合型，则ΔK＝ΔKeff，其中ΔKeff为有效应力强度因子：式中，βII和βIII是基于最大切应力准则和最大应变能释放率准则选择的参数，KI、KII和KIII在简单结构中可通过解析公式获取，当Kmax小于断裂韧性KIC，ΔK大于裂纹扩展门槛值ΔKth时，获得裂纹扩展寿命：式中，a0代表初始裂纹尺寸，af代表最终裂纹尺寸，af可由断裂韧性KIC和施加的载荷进行计算。3.如权利要求1所述的涡轮叶片区间损伤容限分析方法，其特征在于，在第二步中，涡轮叶片中的载荷、裂纹扩展常数、断裂韧性等均属于不确定性参数，且在一定的区间范围内变动：式中，xI为一n维区间向量，表示涡轮叶片中的不确定性参数，区间变量可表达为：2CN108875266A权利要求书2/2页式中，和分别表示区间变量的上边界、下边界、中点和半径。区间的不确定性可能度定义如下：4.如权利要求3所述的涡轮叶片区间损伤容限分析方法，其特征在于，在第三步中，所述平行六面体凸模型把相关区间参数统一归一化到独立标准超立方体中，采用子区间分析方法预测涡轮叶片的疲劳裂纹扩展寿命上下边界。5.如权利要求4所述的涡轮叶片区间损伤容限分析方法，其特征在于，在第三步中，所述平行六面体凸模型统一度量方式为：Ω＝{x||ρ-1T-1R-1(x-xc)|≤e}式中，T＝diag(w1,w2,L,wn)；Te＝[1,1,K,1]；ρ为相关系数矩阵，且ρij＝(b-a)/(b+a)，表示和之间的相关系数。a和b分别是平行六面图的长轴和短轴，相关变量和独立变量统一转换到一标准独立空间：δ＝C-1(x-xc)式中C为形函数矩阵，C＝RTρ，通过上述矩阵转换，不确定性域Ω成为一标准多维立方体，其半径为1，即Ω*＝{δ||δ|≤e}。通过以上转换，疲劳裂纹扩展寿命可重新表示为：N(x)＝N(δ)＝[NL(δ),NR(δ)]后续在标准空间δ将对疲劳裂纹扩展寿命进行区间分析。6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在第四步中，第i个区间参数被划分为li个子区间，则第i个区间参数的第ri个子区间可定义如下