● 摘要
涡轮盘在高温、高转速的条件下工作，是航空发动机关键部件。随着航空发动机推重比的提高，涡轮盘的设计应力水平也大幅提高，低循环疲劳成为了涡轮盘最主要的失效模式之一，严重影响着涡轮盘的使用寿命和飞行安全。本文对涡轮盘多场载荷/环境下的低循环疲劳可靠性设计分析进行了深入研究，主要内容包括：（1）轮盘材料应变—寿命概率模型和循环应力—应变概率模型的建立。考虑疲劳寿命异方差特性，引入线性异方差回归分析方法对涡轮盘材料试验数据进行统计分析，得到了一定置信度下的概率应变—寿命曲线。进一步通过引入一个标准正态随机变量，将Manson-Coffin公式随机化，建立了新的应变—寿命概率模型。建立了不同温度下轮盘材料的循环应力—应变概率模型，为不均匀温度场下轮盘结构概率分析奠定了基础。（2）结构可靠性分析方法的研究，主要针对具有良好非线性逼近能力的神经网络响应面方法进行了研究，针对等厚空心轮盘对比了LHS-BP、CVT-BP、LCVT-BP、LHS-RBF、CVT-RBF和LCVT-RBF六种构建方法，得出RBF神经网络的预测平均误差要明显小于BP神经网络，而LCVT试验设计最优，CVT次之，LHS稍逊。LCVT-RBF神经网络响应面更适合涡轮盘结构可靠性分析中高精度的要求。（3）多场载荷/环境下涡轮盘疲劳可靠性分析，将涡轮盘热机械耦合分析过程随机化，考虑稳态随机温度场的影响，进行涡轮盘疲劳寿命可靠性分析。热机械耦合分析中涉及到的参量众多，通过灵敏度分析选取重要参量作为随机变量处理，能够使分析计算规模得到控制。灵敏度分析显示：影响涡轮盘寿命分布的最主要因素是材料应变—寿命关系的随机性，其次是循环应力—应变关系随机性，轮盘热边界条件以及转速等参数的对疲劳寿命也有明显的影响，但是相对前两者的影响较小。（4）一般涡轮盘危险点处于多轴应力状态，寿命分析时采用以第一主应变或Von Mises等效应变作为疲劳控制参量得到的预测寿命偏于危险，而临界面模型（SWT模型和Fatemi模型）预测精度较好。在多轴疲劳试验复杂、缺少统计性试验数据的情况下，采用单轴试验得到的疲劳性能参数的随机表达式将SWT模型随机化，进行了多轴疲劳寿命可靠性分析。