航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)可靠性分析的最新進(jìn)展

作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)部件，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)長期工作在高溫、高壓、高速的惡劣環(huán)境下，需要滿足長壽命、輕量化、高可靠性等一系列苛刻而矛盾的指標(biāo)。在多場載荷、材料屬性、模型參數(shù)等多重隨機(jī)因素的影響下，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的應(yīng)力應(yīng)變、疲勞壽命等響應(yīng)往往會(huì)表現(xiàn)出較大的分散性，其精細(xì)化失效評估和可靠性分析已成為先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中的關(guān)鍵技術(shù)。本論文首先討論了當(dāng)前常用的可靠性分析方法及其建模思路，介紹了幾種前沿的代理模型方法；然后，以某典型渦輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為例，分析了當(dāng)前幾種常用可靠性分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)和局限性。分析結(jié)果表明代理模型方法在高精度預(yù)測性能、無需大規(guī)模仿真計(jì)算等方面具備較大潛力，指出了抽樣技術(shù)、模型形式、構(gòu)建策略是影響代理模型精度和效率的關(guān)鍵關(guān)節(jié)，從而為代理模型方法在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)可靠性分析中的應(yīng)用指明了未來的發(fā)展方向。

引用格式:X.Q. Li, L.K. Song, G.C. Bai. Recent advances in reliability analysis of aeroengine rotor system: a review [J].International Journal of Structural Integrity, 2022, 13(1): 1-29. 1）近似解析法/數(shù)字仿真法：該綜述系統(tǒng)地介紹了一次可靠性法、二次可靠性法等近似解析方法和以蒙特卡洛法為代表的數(shù)字模擬方法。對于航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)可靠性分析問題，近似解析法存在難以精準(zhǔn)逼近概率密度函數(shù)尾部特征的缺陷，數(shù)字仿真法因需大量調(diào)用真實(shí)非線性極限狀態(tài)函數(shù)而易于陷入計(jì)算效率低的困擾。圖1給出了兩種方法詳細(xì)的可靠性分析流程。

圖1近似解析法和數(shù)字模擬方法的可靠性分析流程 2）代理模型法：構(gòu)建精準(zhǔn)高效的數(shù)學(xué)模型來代替高維、非線性的隱式極限狀態(tài)函數(shù)是解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)可靠性分析問題的重要途徑。首先概述了多項(xiàng)式函數(shù)、Kriging模型、支持向量機(jī)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等傳統(tǒng)代理模型，給出了其建模過程和分析原理；然后，從抽樣技術(shù)、模型形式、構(gòu)建策略等角度出發(fā)，分別介紹了主動(dòng)學(xué)習(xí)技術(shù)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波網(wǎng)絡(luò)回歸、優(yōu)化Kriging、極值選取策略、分布式協(xié)同策略等幾種較為前沿的代理模型，指明了代理模型方法潛在的研究方向。

圖2幾種先進(jìn)的代理模型

3）渦輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)可靠性分析：在流-固-熱等多個(gè)物理場的耦合作用下，渦輪轉(zhuǎn)子的葉根、輪緣、盤心等部位會(huì)產(chǎn)生低循環(huán)疲勞、高循環(huán)疲勞、高溫蠕變等多種失效模式，其可靠性分析是涉及多物理場耦合、多種失效模式的復(fù)雜分析問題。本文以某典型渦輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為例，利用幾種前沿代理模型方法對其可靠性及可靠性靈敏度進(jìn)行分析和評估，總結(jié)了各種代理模型方法在渦輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)可靠性分析中的優(yōu)缺點(diǎn)。圖3給出了基于代理模型的渦輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)可靠性分析流程。

圖3渦輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)可靠性分析

論文主要結(jié)論及展望如下：

本文系統(tǒng)地介紹了近似解析法、數(shù)值仿真法和代理模型法等三類常見的可靠性分析方法，討論了各類方法的優(yōu)缺點(diǎn)、局限性和適用范圍，指出了代理模型方法在涉及復(fù)雜高非線性隱式功能函數(shù)的可靠性分析問題中的優(yōu)越性，為使用代理模型方法解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)可靠性分析問題提供了具有借鑒意義的指導(dǎo)。

此外，本文從計(jì)算精度和計(jì)算效率出發(fā)，凝練了決定代理模型效能的三個(gè)關(guān)鍵建模環(huán)節(jié)：抽樣技術(shù)、模型形式、構(gòu)建策略。通過對各建模環(huán)節(jié)涌現(xiàn)出多種較為前沿的可靠性方法進(jìn)行了深入探討，指明了通過對抽樣技術(shù)、模型形式、構(gòu)建策略的有機(jī)組合，可以在保證計(jì)算精度的前提下有效降低建模成本。對于航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)可靠性分析問題來說，如何圍繞這三個(gè)關(guān)鍵的建模環(huán)節(jié)進(jìn)一步提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)可靠性分析的可信度值得進(jìn)一步研究。

期刊簡介:《International Journal of Structural Integrity》(IJSI)為英國Emerald出版集團(tuán)與歐洲航空科學(xué)網(wǎng)絡(luò)(EASN)、歐洲結(jié)構(gòu)完整性協(xié)會(huì)(ESIS)聯(lián)合出版，是國際結(jié)構(gòu)完整性領(lǐng)域前沿理論、創(chuàng)新方法與技術(shù)應(yīng)用的重要學(xué)術(shù)交流平臺(tái)。國際結(jié)構(gòu)完整性雜志旨在匯集重大工程/裝備結(jié)構(gòu)完整性、可靠性與損傷容限領(lǐng)域的學(xué)術(shù)和工業(yè)應(yīng)用研究，內(nèi)容涵蓋先進(jìn)/工程材料到結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、損傷、疲勞與斷裂、可靠性、安全性、耐久性等研究。