Tiến bộ gần đây trong phân tích độ tin cậy của hệ thống rotor động cơ hàng không

Là một bộ phận quay chính của động cơ phản lực, hệ thống rotor hoạt động trong môi trường khắc nghiệt với nhiệt độ cao, áp suất cao và tốc độ cao trong thời gian dài, và cần đáp ứng một loạt các chỉ tiêu khắt khe và mâu thuẫn như tuổi thọ dài, trọng lượng nhẹ và độ tin cậy cao. Dưới tác động của nhiều yếu tố ngẫu nhiên như tải đa trường, đặc tính vật liệu và thông số mô hình, phản ứng ứng suất-độ dãn và tuổi thọ mệt mỏi của hệ thống rotor thường thể hiện sự phân tán lớn. Đánh giá thất bại tinh vi và phân tích độ tin cậy của nó đã trở thành những công nghệ then chốt trong việc phát triển động cơ phản lực tiên tiến. Bài báo này trước tiên thảo luận về các phương pháp phân tích độ tin cậy phổ biến hiện nay và ý tưởng xây dựng mô hình của chúng, đồng thời giới thiệu một số phương pháp mô hình thay thế (surrogate model) tiên tiến; sau đó, lấy ví dụ một hệ thống rotor tua-bin điển hình, phân tích ưu điểm, nhược điểm và hạn chế của một số phương pháp phân tích độ tin cậy phổ biến. Kết quả phân tích cho thấy phương pháp mô hình thay thế có tiềm năng lớn trong việc dự đoán chính xác và không cần thực hiện các phép tính mô phỏng quy mô lớn. Nó chỉ ra rằng công nghệ lấy mẫu, hình thức mô hình và chiến lược xây dựng là những yếu tố then chốt ảnh hưởng đến độ chính xác và hiệu quả của mô hình thay thế, từ đó chỉ ra hướng phát triển trong tương lai cho việc áp dụng phương pháp mô hình thay thế trong phân tích độ tin cậy của hệ thống rotor.

Phương pháp phân tích gần đúng/phương pháp mô phỏng số học:  Bài đánh giá này giới thiệu có hệ thống các phương pháp phân tích gần đúng như phương pháp độ tin cậy bậc nhất và phương pháp độ tin cậy bậc hai, cũng như các phương pháp mô phỏng số học được đại diện bởi phương pháp Monte Carlo. Đối với việc phân tích độ tin cậy của hệ thống tuabin động cơ máy bay, phương pháp phân tích gần đúng có nhược điểm là khó xấp xỉ chính xác đặc trưng đuôi của hàm mật độ xác suất, và phương pháp mô phỏng số học dễ dẫn đến hiệu suất tính toán thấp do cần gọi nhiều hàm trạng thái giới hạn phi tuyến thực tế. Hình 1 cho thấy quy trình phân tích độ tin cậy chi tiết của hai phương pháp này.

Phương pháp mô hình thay thế: Xây dựng các mô hình toán học chính xác và hiệu quả để thay thế các hàm trạng thái giới hạn ngầm định có kích thước cao và phi tuyến là một cách quan trọng để giải quyết các vấn đề phân tích độ tin cậy của các cấu trúc phức tạp như hệ thống tuabin động cơ máy bay. Trước tiên, các mô hình thay thế truyền thống như hàm đa thức, mô hình Kriging, máy vector hỗ trợ và mạng nơ-ron BP được tóm tắt, và quá trình tạo mô hình cũng như nguyên lý phân tích của chúng được đưa ra; sau đó, từ góc độ công nghệ lấy mẫu, hình thức mô hình và chiến lược xây dựng, một số mô hình thay thế tiên tiến hơn như công nghệ học chủ động, mạng nơ-ron mờ, hồi quy mạng sóng, Kriging tối ưu, chiến lược chọn giá trị cực đại và chiến lược hợp tác phân tán được giới thiệu, chỉ ra hướng nghiên cứu tiềm năng của phương pháp mô hình thay thế. Theo dõi tài khoản chính thức: Hai-máy điện đầu tiên, nhận được một lượng lớn thông tin hai-máy miễn phí và tập trung vào các công nghệ then chốt của hai máy!

Phân tích độ tin cậy của hệ thống rotor tua-bin: Dưới tác động của sự kết hợp giữa nhiều trường vật lý như lỏng-độ cứng-nhiệt, các phần như chân cánh, vành, tâm đĩa và các bộ phận khác của rotor tua-bin sẽ tạo ra nhiều chế độ hư hỏng khác nhau như mệt mỏi chu kỳ thấp, mệt mỏi chu kỳ cao và bò nhiệt ở nhiệt độ cao. Phân tích độ tin cậy của nó là một vấn đề phân tích phức tạp liên quan đến sự kết hợp của nhiều trường vật lý và nhiều chế độ hư hỏng. Bài báo này lấy một hệ thống rotor tua-bin điển hình làm ví dụ, sử dụng một số phương pháp mô hình thay thế tiên tiến để phân tích và đánh giá độ tin cậy cũng như độ nhạy độ tin cậy của nó, đồng thời tóm tắt ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp mô hình thay thế trong việc phân tích độ tin cậy của hệ thống rotor tua-bin. Hình 3 cho thấy quá trình phân tích độ tin cậy của hệ thống rotor tua-bin dựa trên mô hình thay thế.

Các kết luận chính và triển vọng như sau:

Bài báo này hệ thống hóa ba phương pháp phân tích độ tin cậy phổ biến, đó là phương pháp phân tích gần đúng, phương pháp mô phỏng số và phương pháp mô hình thay thế, thảo luận về ưu điểm, nhược điểm, giới hạn và phạm vi ứng dụng của từng phương pháp, chỉ ra sự vượt trội của phương pháp mô hình thay thế trong các vấn đề phân tích độ tin cậy liên quan đến các hàm chức năng ẩn phức tạp và phi tuyến mạnh, và cung cấp hướng dẫn có ý nghĩa tham khảo cho việc sử dụng phương pháp mô hình thay thế để giải quyết các vấn đề phân tích độ tin cậy của hệ thống tuabin động cơ máy bay. Theo dõi tài khoản chính thức: Hai-máy công suất trước, nhận được một lượng lớn dữ liệu hai-máy miễn phí và tập trung vào các công nghệ then chốt của hai-máy!

Ngoài ra, xuất phát từ độ chính xác tính toán và hiệu quả tính toán, bài báo này cô đọng ba khâu tạo mô hình then chốt quyết định đến hiệu quả của mô hình thay thế: công nghệ lấy mẫu, hình thức mô hình và chiến lược xây dựng. Qua việc thảo luận sâu về nhiều phương pháp tin cậy tiên tiến mới nổi trong mỗi khâu tạo mô hình, đã chỉ ra rằng bằng cách kết hợp hữu cơ công nghệ lấy mẫu, hình thức mô hình và chiến lược xây dựng, có thể giảm đáng kể chi phí tạo mô hình trong khi vẫn đảm bảo độ chính xác tính toán. Đối với các vấn đề phân tích độ tin cậy cấu trúc phức tạp như hệ thống tuabin động cơ máy bay, làm thế nào để tiếp tục nâng cao độ tin cậy của phân tích độ tin cậy hệ thống tuabin động cơ máy bay xung quanh ba khâu tạo mô hình then chốt này là điều đáng được nghiên cứu thêm.