Aktuelle Fortschritte in der Zuverlässigkeitsanalyse von Aeroengine-Rotorsystemen

Als Schlüsselkomponente eines Strahltriebwerks arbeitet das Rotor-System in einer strengen Umgebung mit hohen Temperaturen, hohem Druck und hoher Geschwindigkeit über einen langen Zeitraum und muss dabei einer Reihe anspruchsvoller und widersprüchlicher Anforderungen wie langer Lebensdauer, geringem Gewicht und hoher Zuverlässigkeit gerecht werden. Unter dem Einfluss vieler zufälliger Faktoren wie Multifeldbelastungen, Materialeigenschaften und Modellparameter zeigen die Spannungs-Dehnungs- und Lebensdauervorhersagen des Rotor-Systems oft große Streuungen. Ihre präzise Versagensbewertung und Zuverlässigkeitsanalyse haben sich zu Schlüsseltechnologien in der Entwicklung fortschrittlicher Strahltriebwerke entwickelt. In diesem Artikel wird zunächst auf die derzeit gebräuchlichen Zuverlässigkeitsanalysemethoden und deren Modellierungsansätze eingegangen, wobei mehrere innovative Ersatzmodellmethoden vorgestellt werden; danach wird anhand eines typischen Turbinenrotorsystem die Vor- und Nachteile sowie die Einschränkungen einiger gebräuchlicher Zuverlässigkeitsanalysemethoden analysiert. Die Analysergebnisse zeigen, dass die Ersatzmodellmethode großes Potenzial für eine hochgenaue Vorhersageleistung und ohne Notwendigkeit umfangreicher Simulationsberechnungen bietet. Es wird betont, dass Stichprobentechnologie, Modellform und Erstellungstrategie die entscheidenden Aspekte sind, die die Genauigkeit und Effizienz des Ersatzmodells beeinflussen, wodurch zukünftige Entwicklungsrichtungen für die Anwendung der Ersatzmodellmethode in der Zuverlässigkeitsanalyse von Rotorsystemen aufgezeigt werden.

Näherungsweise analytische Methode/digitale Simulationsmethode:  Diese Übersicht stellt systematisch näherungsweise analytische Methoden wie die primäre Zuverlässigkeitsmethode und die sekundäre Zuverlässigkeitsmethode sowie digitale Simulationsmethoden vor, die durch die Monte-Carlo-Methode vertreten sind. Bei der Zuverlässigkeitsanalyse von Flugzeugtriebwerksrotorsystemen hat die näherungsweise analytische Methode den Nachteil, dass sie die Schwanzcharakteristiken der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion schwer genau annähern kann, und die digitale Simulationsmethode neigt dazu, aufgrund der Notwendigkeit, eine große Anzahl realer nichtlinearer Grenzzustandsfunktionen aufzurufen, zu niedriger Berechnungseffizienz zu führen. Abbildung 1 zeigt den detaillierten Zuverlässigkeitsanalyseprozess der beiden Methoden.

Surrogatmodellmethode: Die Konstruktion präziser und effizienter mathematischer Modelle zur Ersatzung hochdimensionaler, nichtlinearer impliziter Grenzzustandsfunktionen ist ein wichtiger Weg, um Zuverlässigkeitsanalyseprobleme komplexer Strukturen wie Flugzeugtriebwerksrotorsysteme zu lösen. Zunächst werden traditionelle Surrogatmodelle wie Polynomfunktionen, Kriging-Modelle, Support Vector Machines und BP-Neuronale Netze zusammengefasst und deren Modellierungsprozess sowie Analyseprinzipien dargestellt; danach werden von den Perspektiven der Stichprobentechnologie, des Modelltyps und der Erstellungstrategie her mehrere neuartigere Surrogatmodelle wie aktives Lernen, Fuzzy-Neuronale Netze, Wavelet-Netzregression, optimierte Kriging, Extremwertauswahlstrategie und verteilter kollaborativer Ansatz vorgestellt, was die potenzielle Forschungsrichtung der Surrogatmodellmethode aufzeigt. Folgen Sie dem offiziellen Account: Zwei-Maschinen-Leistung voran, erhalten Sie kostenlos eine große Menge an Informationen zu den beiden Maschinen und konzentrieren sich auf die Schlüsseltechnologien der beiden Maschinen!

Zuverlässigkeitsanalyse des Turbinenrotorsystems: Unter der Kopplung von mehreren physikalischen Feldern wie Flüssigkeit-Körper-Wärme werden am Turbinenrotor, insbesondere an den Wurzeln der Schaufeln, am Rand und im Zentrum des Scheibensystems, verschiedene Versagensformen wie Niederzyklusermüdung, Hochzyklusermüdung und Hochtemperaturkriechen auftreten. Die Zuverlässigkeitsanalyse ist ein komplexes Analyseproblem, das die Kopplung von mehreren physikalischen Feldern und verschiedene Versagensformen umfasst. In diesem Artikel wird ein typisches Turbinenrotorsystem untersucht, wobei mehrere innovative Surrogatmodellmethoden zur Analyse und Bewertung seiner Zuverlässigkeit und Zuverlässigkeitsempfindlichkeit verwendet werden. Außerdem werden die Vor- und Nachteile verschiedener Surrogatmodellmethoden in der Zuverlässigkeitsanalyse von Turbinenrotorsystemen zusammengefasst. Abbildung 3 zeigt den Zuverlässigkeitsanalyseprozess des Turbinenrotorsystems basierend auf dem Surrogatmodell.

Die wichtigsten Schlussfolgerungen und Ausblicke lauten wie folgt:

Dieses Papier stellt systematisch drei gebräuchliche Zuverlässigkeitsanalysemethoden vor, nämlich die approximative analytische Methode, die numerische Simulationsmethode und die Ersatzmodellmethode, diskutiert die Vorteile, Nachteile, Einschränkungen und Anwendungsbereiche jeder Methode, hebt die Überlegenheit der Ersatzmodellmethode bei Zuverlässigkeitsanalyseproblemen hervor, die komplexe, stark nichtlineare implizite Funktionen umfassen, und bietet eine leitende Anleitung zur Verwendung der Ersatzmodellmethode zur Lösung von Zuverlässigkeitsanalyseproblemen des Turbinenrotorsystems von Flugzeugmotoren. Folgen Sie dem offiziellen Konto: Zwei-Maschinen-Leistung zuerst, erhalten Sie kostenlos eine große Menge an Zwei-Maschinen-Daten und konzentrieren sich auf die Schlüsseltechnologien von Zwei-Maschinen!

Darüber hinaus wird in diesem Artikel, ausgehend von der Berechnungspräzision und -effizienz, die drei wesentlichen Modellierungsschritte zusammengefasst, die die Effektivität des Surrogatmodells bestimmen: Stichprobentechnologie, Modellform und Aufbaustrategie. Durch eine eingehende Diskussion vieler neuer Reliabilitätsmethoden, die in jedem Modellierungsschritt auftreten, wird darauf hingewiesen, dass durch die organische Kombination von Stichprobentechnologie, Modellform und Aufbaustrategie die Modellierungskosten effektiv reduziert werden können, während gleichzeitig die Berechnungspräzision gewährleistet bleibt. Für komplexe strukturelle Zuverlässigkeitsanalysen, wie bei Flugzeugtriebwerksrotorsystemen, ist es lohnenswert, weiter zu untersuchen, wie die Glaubwürdigkeit der Zuverlässigkeitsanalyse von Flugzeugtriebwerksrotorsystemen um diese drei Schlüsselmodellierungsschritte herum weiter verbessert werden kann.