تعد محركات الطائرات أنظمة هندسية معقدة نموذجية مع اقتران قوي متعدد المكونات. إنها تعمل تحت درجة حرارة عالية ، وضغط عالي ، وسرعة عالية ، وحمل/بيئة متعددة الحقل ، ويجب أن تلبي متطلبات عالية للغاية للاستخدام مثل الدفع العالي والوزن الخفيف والحياة الطويلة والموثوقية العالية. إنها منتجات متطرفة مع صعوبة كبيرة في التنمية. كمكون أساسي لمحركات الطائرات ، فإن السلامة الهيكلية وموثوقية بنية الدوار هي أضعف الروابط في تصميم محرك الطائرات وتطوير محرك عنق الزجاجة.
من ناحية ، يتعرض النظام الهيكلي للأحمال الديناميكية الهوائية والميكانيكية والحرارية القاسية والمعقدة ، بينما يتفاعل الميكانيكا (الصلبة الغازية) والقيود مع المواد والعمليات والتخصصات الأخرى ؛ من ناحية أخرى ، تظهر الحياة الهيكلية تشتتًا كبيرًا ، في حين أن الرحلة الآمنة تتطلب احتمال الفشل المنخفض. في هذا الوقت ، تواجه تكنولوجيا التصميم الحتمية التقليدية العديد من التحديات. يمكن للتصميم الاحتمالي ، كطريقة تصميم دقيقة ، تحديد المخاطر ، ويقلل من الوزن ويقلل من التكاليف مع تلبية متطلبات الموثوقية. إنها واحدة من أكثر التقنيات الرئيسية الواعدة لحل عنق الزجاجة لتطوير محرك الطائرات المتقدمة. تطوير التصميم الهيكلي للمحرك
لقد مر التصميم الهيكلي للهندسة الهوائية بعملية تطوير تصميم القوة الثابتة ، وتصميم الحياة الآمن ، وتصميم تحمل الأضرار الحتمية والتصميم الاحتمالي الهيكلي.
نقطة البداية الرئيسية لتصميم القوة الثابتة هي أن الهيكل لا ينكسر تحت عبء التصميم المحدد ؛ بعد تحميل الاستخدام ، لا يوجد تشوه دائم مرئي بعد التفريغ. لفترة طويلة في الماضي ، نظرًا لحمل المحرك الصغير ، كان مستوى الإجهاد للهيكل منخفضًا جدًا ، ولم تكن متطلبات الحياة الهيكلية عالية ، وقد يفي تصميم القوة الثابتة بمتطلبات التصميم.
في عام 1954 ، انفجرت Airliner البريطانية "Comet" Jet Airliner وتحطمت في البحر. كان سبب الحادث هو تلف الكسر الناجم عن تأثير التعب للبنية المعدنية لجسم الطائرة. هذا يدل على أن تصميم الأجزاء الهيكلية وفقًا للقوة الثابتة لا يمكن أن يضمن سلامتها قيد الاستخدام ، ويجب النظر في مشكلة حياة الخدمة الآمنة في التصميم الهيكلي. بعد الحادث ، تم اعتماد طريقة حياة السلامة في التصميم الهيكلي لمحركات الطائرات.
تتمثل فرضية تصميم الحياة الآمنة في افتراض أن الهيكل هو جسم موحد مستمر بدون عيوب. نظرًا لأن المادة لها تشتت معين ، فإن التصميم الهيكلي في الهندسة يحدد غالبًا متوسط عمر الهيكل من خلال التجارب ، ويجمع بين الخبرة لإعطاء معامل تشتت أكبر ، ثم يحصل على عمر المسموح به للهيكل.
يتطلب معيار وزارة الدفاع البريطانية (Def Stan 00-971) أن يتم اعتبار المنحنى بموثوقية قدرها 99.87 ٪ (أي {3}} σ) كمنحنى SN المقابل للحياة الآمنة. إن مواصفات محرك الطيران الأمريكية ومحرك المحرك العام (mil-e -5007 d) تنص على أن الهيكل النموذجي للمحرك يتبنى تصميمًا آمنًا للحياة ، وأن القوة المسموح بها وخصائص الحياة تستند إلى -3 ، ومستوى الثقة المقابل 95 ٪ ، انظر الشكل 1. تتطلب إدارة الطيران (FAA) في الولايات المتحدة أن يتم تحديد حياة الأجزاء الدوار مثل الضواغط وأقراص التوربينات باستخدام طريقة تصميم الحياة الآمنة ؛ تنص اللوائح الجوية الجوية على جار من هيئة الطيران المشتركة الأوروبية أيضًا إلى أن عمر أجزاء دوار المحرك يجب تحديده بواسطة طريقة الحياة الآمنة.
تأخذ طريقة تصميم الحياة الآمنة في الاعتبار تشتت الخواص الميكانيكية للمواد الهيكلية للمحرك ، وتأسيس موثوقية عالية من منظور احتمالي لضمان سلامة الهيكل أثناء الخدمة. ومع ذلك ، يجب أن يحتوي الهيكل الفعلي على عيوب أولية مثل الادراج والثقوب (الشقوق) والتجويف. لذلك ، فإن طريقة تصميم الحياة الآمنة لا تضمن سلامة وموثوقية الهيكل ؛
بالإضافة إلى ذلك ، فإن تصميم الحياة الآمن هو طريقة تصميم محافظة للغاية. بموجب مستوى الثقة الحالي بنسبة 95 ٪ وموثوقية 99.87 ٪ ، من الممكن أن يكون لدى واحد فقط من الهياكل 1 ، {4}} التشققات المحددة ، وسيُعتبر 999 الآخر قد وصل إلى حياة التعب والانسحاب من الخدمة ، مما يؤدي إلى نفايات كبيرة. تشير التقديرات إلى أن أكثر من 80 ٪ من الأقراص المصممة باستخدام طريقة الحياة الآمنة لا يزال عمرها 10 مرات أو أكثر بعد إلغاء الإلغاء ، لذلك من الضروري تطوير المزيد من طرق التصميم والتقييم الاقتصادي.
يمكن أن يحل تصميم تحمل الأضرار الحتمية مشاكل السلامة والاقتصاد في تصميم هيكل المحرك. تختلف هذه الطريقة عن طريقة تصميم الحياة الآمنة. يفترض أن هناك عيوبًا أو تشققات صغيرة في المادة ، وسوف تتوسع تدريجياً في ظل عمل أحمال التعب ، مما يؤدي في النهاية إلى الفشل الهيكلي. يحدد تصميم تحمل الأضرار الحتمية دورة الصيانة والحد الأقصى المسموح به للحجم المسموح به للهيكل استنادًا إلى ظروف الاستخدام وخصائص المواد ومتطلبات الصيانة للهيكل ، والتحكم في عيوب المواد الهيكلية وتمديد الأضرار ضمن نطاق معقول [7] ، ويحسن بشكل فعال الكفاءة الاقتصادية لصيانة بنية المحرك.
ينص الخطوط العريضة للنزاهة الهيكلية للمحرك الهيكلي (MIL-STD -1783) بوضوح على أنه يجب إجراء تصميم تحمل الضرر والاختبار والتحكم على أجزاء كسر المحرك الرئيسية لتحديد دورة صيانة الهيكل. ومع ذلك ، يصعب النظر في طريقة تصميم تحمل الضرر الحتمي بدقة عن تأثير العوامل العشوائية المختلفة على تشتت الحياة ، ولا يمكن أن تتنبأ بدقة باحتمال فشل البنية وحساسية معلمات الإدخال.
المعايير والقوانين والأساليب التي تمت دراستها وإنشائها في عملية تصميم هيكل المحرك أعلاه كلها حتمية ، أي خصائص المواد وعمليات التصنيع واستخدام المهمة وغيرها من المعلمات تستخدم قيمًا ثابتة ، والتي لا يمكن أن تتنبأ بدقة بحياة التعب للهيكل. لذلك ، من الصعب تحسين وموازنة الوزن الهيكلي وحياة الخدمة ومعايير التصميم ، ومن المستحيل إعطاء مؤشر موثوقية كمية. يعد متطلبات الحياة مع الموثوقية ميزة بارزة لتصميم المحرك الحديث ، والتصميم الاحتمالي الهيكلي هو طريقة تصميم مهمة لضمان الموثوقية الهيكلية.
تعتقد طريقة التصميم الاحتمالي الهيكلي أن الحمل الخارجي الفعلي الذي يعمل على الهيكل وقدرة تحمل الفعلي للهيكل كلاهما كميات احتمالية. من المستحيل إعطاء قيم دقيقة أثناء التصميم. وتسمى متغيرات عشوائية أو عمليات عشوائية ، والتي تطيع توزيع معين. إن أخذ هذا كنقطة انطلاق للتصميم الهيكلي [10] يمكن أن يتوافق بشكل أفضل مع الواقع الموضوعي. في بحث برنامج تكنولوجيا محرك المحركات التوربيني عالية الأداء المتكاملة (IHPTET) ، اقترحت الولايات المتحدة طريقة تصميم احتمالية وأنشأت نظام تصميم احتمالي (PDS) لنظام الدوار ، الذي قلل من برنامج محرك التصميم الهيكلي إلى مستوى موثوقية مقبول (مُضاعفًا للمحرك المتقدم). تعب الدراجة من الشفرات كواحدة من التقنيات الرئيسية. أشار برنامج النزاهة الهيكلي للمحرك الأمريكي (MIL-HDBK -1783 b) أيضًا إلى أن استخدام هامش التصميم الاحتمالي بدلاً من عامل السلامة التقليدي أو الهامش الحتمي يمكن أن يمثل بدقة أكبر التغييرات في استجابة المكون. عززت إدارة الطيران الفيدرالية للولايات المتحدة تطبيق التصميم الاحتمالي الهيكلي في مجال الطيران المدني ، ليحل محل FAR33.14 بفقرة صلاحية الطيران FAR33.70 ، أي ، يتم تحديد تصميم تحمل الأضرار الاحتمالية لأجزاء محرك محرك محرك الحد الأدنى ، ويتم تحديد مستوى خطر الفشل من خلال المقارنة مع خطر التصميم.
من أجل تلبية متطلبات الأداء لمحركات الطائرات المتقدمة ، هناك المزيد والمزيد من المواد الجديدة مثل سبائك المسحوق ، والمركبات المتداخلة ، والمواد السيراميكية ، والمواد المركبة ، وما إلى ذلك. هذه المواد لها تحسينات واضحة على سبائك المعادن التقليدية في خصائص معينة مثل القوة والضغط والكثافة ، وما إلى ذلك ، ولكن هناك العديد من العوامل غير المؤكدة وأساليب الفشل الجديدة في خصائصها المادية ، وسيؤدي استخدام طرق التصميم الحتمية إلى انحرافات كبيرة. لذلك ، من الضروري تبني طرق تصميم احتمالية لهياكل المحرك النموذجية تحت مواد جديدة ، هياكل جديدة ، وأنظمة عملية جديدة. التقنيات الرئيسية للتصميم الاحتمالي لهياكل المحرك النموذجية
1. النموذج الاحتمالي للعوامل العشوائية (1) يتعين على محركات طائرات تشتت الحمل ، وخاصة المحركات العسكرية ، إكمال عدد كبير من بعثات الطيران مثل المبحرة ، والأعمال المثيرة البسيطة ، والأعمال المثيرة المعقدة ، والتكوينات ، والهجوم والاعتراض ، مما يؤدي إلى تشتت كبير في أحمال العمل في هيكل المحرك ، مثل الأحمال الميكانيكية ، الأحمال الهوائية ، أحمال درجة الحرارة. يجب دمج نموذج احتمال تحميل المحرك مع تقنية معالجة طيف الحمل ، ويجب دراسة مبدأ تحويل الأضرار مثل طيف تحميل المحرك وطيف الحمل الهيكلي. من خلال جمع ومعالجة طيف تحميل حقل المحرك وطيف الاختبار ، يتم الحصول على قانون تباين الحمل لهيكل المحرك النموذجي مع مرور الوقت ، ويتم استخدام النظرية الإحصائية لتحديد الخصائص الإحصائية احتمال حمل العمل لهيكل المحرك النموذجي.
(2) تشتت المواد ، تؤدي الاختلافات في عملية إعداد المواد الهيكلية للمحرك إلى تشتت معلمات الأداء الميكانيكية المادية (مثل النموذج المرن ، ونسبة Poisson ، ومنحنى الإجهاد الإجهاد ، وما إلى ذلك) ؛ في الوقت نفسه ، بسبب تعقيد تقنية المعالجة ، تختلف خصائص المواد لأجزاء مختلفة من بنية المحرك النموذجية بشكل كبير. لذلك ، من الضروري الجمع بين بيانات اختبار عينات المواد القياسية وأجزاء المحاكاة المميزة من أجزاء مختلفة من الهيكل لإنشاء نموذج احتمال تم التحقق منه بواسطة التجارب.
على سبيل المثال ، للتعامل مع تشتت العلاقة بين إجهاد الإجهاد الدوري المادي ، يمكن أن تتحلل السلالة إلى مكونات إجهاد مرنة ومكونات سلالة بلاستيكية ، والمعادلات الخطية لمكونات الإجهاد المرن ، ومكونات الإجهاد البلاستيكي والإجهاد على التوالي. المعادلات المذكورة أعلاه معشاة ، ويتم إنشاء نموذج احتمال الإجهاد الدوري بواسطة طريقة الانحدار ، كما هو مبين في الشكل 3. (3) يشير تشتت عملية تشتت العملية إلى التشتت الهيكلي الناجم عن عوامل عشوائية مثل إعداد المواد وطرق المعالجة وتكنولوجيا الكشف.
العشوائية العيوب الأولية. لطرق إعداد المواد مثل التزوير ، الصب ، والضغط المتساوي الساخن ، فإن عدد العيوب الأولية ، وموضعها ، وحجمها مثل الادراج والثقوب والتجويف في المادة كلها عشوائية ، كما هو موضح في الشكل 4. لذلك ، من الضروري تطوير طرق توصيف الأضرار المكافئة للعيوب السطحية/الفرعية/العيوب الداخلية وتثبيت نموذج احتمالية محرك نموذجي في مختلف المناطق. البعد الهندسي العشوائية. الأبعاد الهندسية لهياكل المحرك النموذجية عشوائية بسبب عدم استقرار تقنية المعالجة الميكانيكية. تحقيقًا لهذه الغاية ، من الضروري تحديد معلمات البعد الهندسي الرئيسي لهياكل المحرك النموذجية من خلال تحليل الحساسية ، وإجراء إحصاءات على الأبعاد الهندسية الرئيسية لتحديد خصائص توزيع الاحتمالات.
العشوائية الإجهاد المتبقي. يؤدي عدم استقرار تكنولوجيا المعالجة مثل تقنية معالجة سطح المحرك (مثل تقشير اللقطة ، وتعزيز الليزر) ، وتكنولوجيا المعالجة الحرارية (مثل الحل الصلب ، والشيخوخة) ، والعمليات الأخرى (مثل لحام الاحتكاك الخطي ، لحام شعاع الإلكترون) إلى إجهاد متبقي عشوائي على السطح وداخل الهيكل. يجب دراسة نموذج احتمال الإجهاد المتبقي بشكل منهجي من خلال المحاكاة العددية وفحص العملية والإحصاءات الرياضية.
عشوائية لتكنولوجيا الكشف عن العيوب. تقنيات الكشف المختلفة تؤدي إلى العشوائية في حجم وموضع العيب الدنيا القابل للاكتشاف. يتم تقديم احتمال اكتشاف العيوب (POD) لوصف هذا العشوائية. من خلال إعداد العينات التالفة مع أنواع كافية من العيوب والأحجام والمواقف ، وإجراء اختبارات اكتشاف العيوب وإنشاء نموذج رياضي لبيانات الكشف ، يتم الحصول على منحنى POD لتكنولوجيا الكشف عن طريق المعالجة الإحصائية.
2. هيكل المحرك النموذجي هياكل المحرك النموذجية (مثل هياكل شفرة التوربينات) تخضع لأحمال/بيئات معقدة من الحقول المتعددة الصلبة الغازية ، وتكون أوضاع الفشل في الغالب تعبًا مركبًا مركبًا ، لذلك ، مثل الإرهاق المركب الذي يعتمد على محرك المركب. أصبحت التجارب تقنية رئيسية للتصميم الاحتمالي لهياكل المحرك. من الضروري الجمع بشكل وثيق بين البحث النظري مع التحقق التجريبي للكشف عن آلية وضع الفشل المركب لهياكل المحرك النموذجية تحت الأحمال/البيئات المعقدة وتطوير طرق التنبؤ بالتعب المركب المقابلة. بالاقتران مع تشتت الأحمال والمواد والعمليات ، يتم إنشاء نموذج احتمال فشل التعب المركب لهياكل المحرك النموذجية التي تم التحقق منها بواسطة التجارب.
تأخذ المجموعة الهيكلية والتحسينات الأبحاث المتعددة التخصصات في جامعة بكين لعلماء الطيران وعلماء الفضاء قرص التوربينات ذات الضغط العالي لمحرك WP7 (مصنوع من GH33) كهدف لدراسة وتطوير مجموعة من نماذج الاحتمالات وطرق التصميم من أجل التعب-Creep Dailling Modes of Turbine Disks التي تم التحقق منها ، بما في ذلك التجارب ، تطبيقات التصميم (الشكل 5). 3. تكنولوجيا تحليل الاستجابة الاحتمالية الهيكلية
يتضمن التصميم الاحتمالي لهياكل المحرك النموذجية العديد من التخصصات والهياكل المعقدة. مباشرة باستخدام الطرق العددية لحل احتمال/موثوقية الفشل الهيكلي سيؤدي إلى وقت حساب طويل جدًا. لذلك ، يعد إنشاء طريقة تحليل الاستجابة الاحتمالية الهيكلية تقنية رئيسية للتصميم الاحتمالي لهياكل المحرك النموذجية.
في الوقت الحاضر ، غالبًا ما يتم استخدام طريقة سطح الاستجابة مع طريقة مونت كارلو لإجراء تحليل استجابة الاحتمالات الهيكلية ، ويتم تطوير مجموعة من طرق تحليل الاستجابة عالية الكفاءة والاحتمالية المناسبة لهياكل المحرك النموذجية لحل مشكلة الحساب الهائل في تحليل الاحتمال الهيكلي. يمكن استخدام طرق أخذ العينات مثل طريقة Hypercube اللاتينية ، وطريقة شبه كارلو ، وأخذ العينات الوسطى اللاتينية ، وأخذ العينات المهمة ؛ يمكن اختيار طرق النمذجة التقريبية مثل الشبكة العصبية ونموذج Kriging ودعم جهاز ناقل (الشكل 6).
4. تحليل حساسية العوامل العشوائية
من خلال تحليل الحساسية للعوامل العشوائية ، من ناحية ، يمكن تحديد العوامل الرئيسية التي تؤثر على تشتت الحياة الهيكلية ، مما يوفر أساس التصميم للتصميم الاحتمالي لهياكل المحرك النموذجية ؛ من ناحية أخرى ، يمكن معالجة متغيرات عشوائية ذات مؤشرات حساسية منخفضة في تصميم الاحتمالات الهيكلية في معلمات حتمية ، وبالتالي توفير وقت الحساب وتحسين كفاءة الحل ؛ يعد التركيز على تشتت العوامل العشوائية الرئيسية أكثر مباشرة وأهمية من العوامل الأخرى في تحسين دقة حل احتمال/موثوقية الفشل الهيكلي.
5. نظام تصميم احتمالية الهيكل النموذجي للهيكل الذي يهدف إلى نظام عمليات محرك الطيران في بلدي ، وإنشاء منصة تصميم احتمالية للهيكل النموذجي محرك الطيران مع حقوق الملكية الفكرية المستقلة هي أيضًا تقنية رئيسية لتصميم احتمال بنية المحرك. يتطلب إدراك منصة تصميم بنية المحرك احتمالية عدد كبير من الحسابات التكرارية. كل تغيير في النموذج الهندسي أثناء عملية الحساب سيؤدي إلى تغيير بيانات التحليل مثل الشبكة والشروط الحدودية وفقًا لذلك. لذلك ، فإن تقنية الاتصال بين النموذج الهندسي ونموذج التحليل ، وإعادة البناء التلقائي للشبكة والتحميل التلقائي للشبكة هي الصعوبات الفنية التي تحتاج إلى حل.
على سبيل المثال ، تستخدم مجموعة أبحاث القوة الهيكلية ومجموعة أبحاث التحسين المتعدد التخصصات في جامعة Beihang كتلًا افتراضية لاستبدال الهياكل الهندسية المعقدة لإنشاء شبكات متعددة الحواسات مرنة ، وتقدم قيود نقاط التابع على تحقيق المشكلات ذات الصبغة المتعددة (Modensive). الموضحة في الشكل 7. بدعم من برنامج الدفاع الوطني 973 ، اقترحت مجموعة أبحاث القوة الهيكلية والمحسّنة متعددة التخصصات من جامعة بيهانغ وأنشأت عملية تصميم احتمالية للقرص التوربيني بناءً على عملية التصميم الحتمية لأقراص التوربينات ، وأنشأت مبدئيًا أول نظام تصميم محتمل للتصميم التوربيني (TPDs) في الصين. ويشمل الوظائف الرئيسية لمعالجة طيف التحميل ، والمعالجة المتغيرة العشوائية ، والنمذجة الهندسية ، وتحليل وضع الفشل وتصميم اتخاذ القرارات ، ودمج البرامج التجارية مثل UG و ANSYS و MATLAB ، كما هو موضح في الشكل 8.
أصبحت تقنية التصميم الاحتمالية لهياكل المحرك النموذجية واحدة من أكثر التقنيات الرئيسية الواعدة لحل عنق الزجاجة من أبحاث وتطوير المحرك المتقدم. يتم استخدامه تدريجياً في تطوير أجزاء رئيسية من محركات الهواء المتقدمة في الصين. لقد تم تطبيقه محليًا وبدأ التأثير في الظهور. في الخطوة التالية من التطوير ، يجب تعميق العمل البحثي التالي وتعزيزه.
1. تصميم المواد المحتملة للبنية المحتملة للمواد التصميم والمواد والتكامل العملية والتكرار هي المسارات الأساسية لتحسين مستوى تطوير محرك الهواء المتقدم. إن التطبيق الفعال لتكنولوجيا التصميم الباحثية الهيكلية للمحرك لا ينفصل عن الاعتبار المتكامل للمواد والعمليات. لذلك ، يحتاج التصميم الاحتمالي لهياكل المحرك إلى البدء من مصدر التصميم ، ويكشف عن آلية التأثير والتنظيم المنتظم للتصنيع الهيكلي المعلمات الحساسة على موثوقية هياكل المحرك ، ويشكل طريقة تصميم احتمالية لهياكل المحرك النموذجية التي تدمج المعلمات الحساسة للتصنيع.
2. تصميم التحسين متعدد التخصصات بناءً على الموثوقية ، يتضمن التصميم الهيكلي للمحركات الهوائية العديد من التخصصات مثل الديناميكا الهوائية والمواد ونقل الحرارة والبنية والقوة. التخصصات مقترنة مع بعضها البعض. لا يمكن أن يضمن التصميم الاحتمالي لانضباط واحد أن الهيكل المصمم يلبي متطلبات الموثوقية للاستخدام.
