题目：涡轮盘疲劳-蠕变可靠性设计方法研究

涡轮盘作为航空发动机的结构关键件，其设计质量直接关系到发动机的性能高低及其结构完整性和可靠性。概率设计作为一种精细设计手段对于提高涡轮盘的设计质量至关重要，其作用在追求高性能和高可靠性的先进发动机结构设计中愈发突显。为此，本文以某型发动机高压涡轮盘（材料GH4133B）为具体研究对象，选取其典型失效模式疲劳-蠕变作为研究重点，理论和实验结合，旨在研究并发展一套从材料特性到设计应用全过程的、包含裂纹形成和裂纹扩展两个损伤阶段的、具有实用基础的涡轮盘结构概率设计方法和体系，为解决我国现役、在研和预研航空发动机关重件可靠性设计瓶颈问题奠定基础。首先，提出并建立了具有实验支持和验证的涡轮盘结构疲劳-蠕变耦合失效模式的概率模型。为此建立了一套长焦显微支持的可实时监测损伤的高温疲劳-蠕变试验系统。通过连续循环蠕变（CF）、先疲劳后蠕变（F+C）、先蠕变后疲劳（C+F）下的疲劳-蠕变圆棒试验和扫描电镜（SEM）分析，宏、微观结合研究了载荷顺序造成的疲劳损伤、蠕变损伤的正、负交互作用机理，确定了以双参数表征的疲劳-蠕变特性函数，在此基础上建立了考虑载荷、寿命分散性的疲劳-蠕变裂纹形成的概率模型；通过不同温度、保持时间下CT试件的多子样裂纹扩展试验和SEM分析，研究了温度和保持时间对裂纹扩展速率的作用机理，进而确立考虑疲劳、蠕变交互作用的双曲正弦模型作为中值疲劳裂纹扩展模型，建立了反映温度/载荷共同作用的用平稳对数正态随机过程表征的疲劳-蠕变裂纹扩展概率模型，并给出了该模型的双参数威布尔近似表达。接着，通过涡轮盘循环弹塑性蠕变分析和断裂力学分析，应用试验确定的疲劳-蠕变特性函数和裂纹扩展模型预测了涡轮盘疲劳-蠕变裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命。基于本文建立的概率模型，考虑材料性能、载荷属性的统计特性，开展了涡轮盘疲劳-蠕变可靠性方法研究，并由此确定了涡轮盘结构的可靠度/失效概率以及指定可靠度下的寿命值。基于概率灵敏度分析确定了影响寿命分散性的主要因素，并提出可在可靠性分析和设计中将灵敏度指标低的随机变量处理成确定性参数以提高计算效率。最后，基于涡轮盘确定性设计方法，提出并建立了涡轮盘结构的概率设计体系（T-PDS），在此基础上开发了包含载荷谱、随机变量定义、几何建模、优化设计、失效模式分析、设计决策等主要功能，并集成了概率分析方法、参数假设检验等自行开发程序和ANSYS、UG、MATLAB等商业软件的涡轮盘结构概率设计系统。为验证体系和系统，将本文研究得到的涡轮盘疲劳-蠕变可靠性设计方法和流程融入到概率设计系统，以某型发动机涡轮盘为例完成了涡轮盘疲劳-蠕变裂纹形成的概率设计。与原设计结果的对比表明，按照概率方法设计的结构在满足可靠度要求的前提下显著降低了涡轮盘的重量，设计质量的得到了有效提高。本文研究得到的框架、方法和结果可为要求高安全可靠性和高性能指标的我国先进军用航空发动机和大飞机用高涵道比发动机的自行研制提供技术支持。