מנועי מטוסים הם מערכות הנדסיות מורכבות טיפוסיות עם חיתוך צולב רב תחומי וצימוד חזק רב-רכיבי. הם עובדים תחת טמפרטורה גבוהה, לחץ גבוה, מהירות גבוהה ועומס/סביבה רב-שדה, ועליהם לעמוד בדרישות גבוהות במיוחד לשימוש כמו דחף גבוה, משקל קל, חיים ארוכים ואמינות גבוהה. הם מוצרים קיצוניים עם קושי רב בפיתוח. כמרכיב הליבה של מנועי מטוסים, היושרה המבנית והאמינות של מבנה הרוטור הם הקישורים החלשים ביותר בתכנון מנועי מטוסים ופיתוח צוואר הבקבוק מגביל את פיתוח המנוע.
מצד אחד, המערכת המבנית נתונה לעומסים אווירודינמיים קשים ומורכבים, מכניים ותרמליים, ואילו מכניקה (חום גז-מוצק) מקיימת אינטראקציה ומגבילה עם חומרים, תהליכים ותחומים אחרים; מצד שני, החיים המבניים מראים פיזור רב, ואילו טיסה בטוחה דורשת סבירות כישלון נמוך. נכון לעכשיו, טכנולוגיית העיצוב הדטרמיניסטית המסורתית עומדת בפני אתגרים רבים. תכנון הסתברותי, כשיטת תכנון עדינה, יכול לכמת סיכונים, להפחית משקל ולהפחית עלויות תוך עמידה בדרישות האמינות. זוהי אחת הטכנולוגיות המפתח המבטיחות ביותר לפתרון צוואר הבקבוק של פיתוח מנועי מטוסים מתקדמים. פיתוח תכנון מבני מנוע
תכנון מבני של AeroEngine עבר את תהליך הפיתוח של תכנון חוזק סטטי, תכנון חיים בטוח, תכנון סובלנות נזק דטרמיניסטי ועיצוב הסתברותי מבני.
נקודת המוצא העיקרית של עיצוב חוזק סטטי היא שהמבנה אינו נשבר תחת עומס העיצוב הנתון; לאחר עומס השימוש, אין עיוות קבוע גלוי לאחר הפריקה. במשך זמן רב בעבר, בגלל עומס המנוע הקטן, רמת הלחץ של המבנה הייתה נמוכה מאוד, והדרישות לחיים המבניים לא היו גבוהות, ועיצוב החוזק הסטטי יכול לעמוד בדרישות התכנון.
בשנת 1954 התפוצץ מטוס ג'ט "השביט" הבריטי "שביט" והתנגש בים. הגורם לתאונה היה נזק השבר שנגרם כתוצאה מהשפעת העייפות של מבנה המתכת של גוף המטוס. זה מראה כי תכנון חלקים מבניים על פי חוזק סטטי אינו יכול להבטיח את בטיחותם בשימוש, ויש לקחת בחשבון את בעיית חיי השירות הבטוחים בתכנון מבני. לאחר התאונה, שיטת חיי הבטיחות אומצה בתכנון המבני של מנועי מטוסים.
הנחת היסוד של עיצוב חיים בטוח היא להניח שהמבנה הוא גוף אחיד מתמשך ללא פגמים. מכיוון שלחומר יש פיזור מסוים, התכנון המבני בהנדסה קובע לעתים קרובות את חייו הממוצעים של המבנה באמצעות ניסויים, ומשלב ניסיון כדי לתת מקדם פיזור גדול יותר, ואז משיג את חיי המבנה המותרים.
תקן משרד ההגנה הבריטי (def stan 00-971) מחייב כי העקומה עם אמינות של 99.87% (כלומר -3 σ) תילקח כעקומת ה- SN המתאימה לחיים הבטוחים. המפרט הכללי של המנוע הטורבויט והטורבופן האמריקני (MIL-E -5007 ד) קובע כי המבנה האופייני של המנוע מאמצת תכנון חיים בטוח, ומאפייני החיים המותרים של החומר מבוססים על -3}, ורמת הביטחון המתאימה היא 95%, ראו איור 1. מינהל תעופה (FAA) של ארצות הברית מחייב את חייהם של חלקי הרוטור כמו מדחסים ודיסקי טורבינה ייקבעו בשיטת תכנון החיים הבטוחים; תקנות שורת האוויר צנצנת E של רשות התעופה המשותפת האירופית קובעות גם כי חייו של חלקי הרוטור של המנוע חייבים להיקבע בשיטת החיים הבטוחה.
שיטת תכנון החיים הבטוחה לוקחת בחשבון את פיזור התכונות המכניות של החומרים המבניים של המנוע, ומבססת אמינות גבוהה מנקודת מבט הסתברותית כדי להבטיח את בטיחות המבנה במהלך השירות. עם זאת, על המבנה בפועל להכיל פגמים ראשוניים כמו תכלילים, חורים (סדקים) וחללים. לפיכך, שיטת תכנון החיים הבטוחה אינה מבטיחה את הבטיחות והאמינות של המבנה;
בנוסף, עיצוב החיים הבטוח הוא שיטת עיצוב שמרנית מאוד. תחת רמת הביטחון הנוכחית של 95% ואמינות 99.87%, יתכן שרק אחד מהמבנים של 1, 000 יקבלו את הסדקים שצוינו, וגם 999 האחרים ייחשבו כמי שיגיעו לחיי העייפות ונסיגה מהשירות, וכתוצאה מכך פסולת גדולה. ההערכה היא שלמעלה מ- 80% מהדיסקים המתוכננים בשיטת החיים הבטוחים עדיין יש חיים של פי 10 ומעלה לאחר שנגרש, ולכן יש צורך לפתח שיטות תכנון והערכה חסכוניות יותר.
תכנון סובלנות נזק דטרמיניסטי יכול לפתור את בעיות הבטיחות והכלכלה בתכנון מבני המנוע. שיטה זו שונה משיטת עיצוב החיים הבטוחה. היא מניחה שיש פגמים או סדקים קטנים בחומר, והם יתרחבו בהדרגה תחת פעולה של עומסי עייפות, ובסופו של דבר יובילו לכישלון מבני. תכנון סובלנות נזקים דטרמיניסטיים קובע את מחזור התחזוקה ואת גודל הסדק המרבי המותר של המבנה על סמך תנאי השימוש, תכונות החומר ודרישות התחזוקה של המבנה, שולט על מומים בחומר המבני והרחבת הנזק בטווח סביר [7], ומשפרת למעשה את היעילות הכלכלית של תחזוקת מבנה המנוע.
מתווה שלמות מבנית של מנוע חיל האוויר האמריקני (MIL-STD -1783) קובע בבירור כי יש לבצע תכנון, בדיקות ובקרה של נזק לסובלנות על חלקי שבר מנועי מפתח כדי לקבוע את מחזור התחזוקה של המבנה. עם זאת, קשה לשקול במדויק את שיטת תכנון סובלנות הנזק הדטרמיניסטי את ההשפעה של גורמים אקראיים שונים על פיזור החיים, ואינה יכולה לחזות במדויק את הסתברות הכישלון של המבנה ואת הרגישות של פרמטרי הקלט.
הקריטריונים, החוקים והשיטות שנלמדו ונקבעו בתהליך תכנון מבנה המנוע לעיל הם כולם דטרמיניסטיים, כלומר תכונות חומר, תהליכי ייצור, שימוש במשימה ופרמטרים אחרים משתמשים בערכים קבועים, שאינם יכולים לחזות במדויק את חיי העייפות של המבנה. לפיכך, קשה לייעל ולאזן בין משקל המבני, חיי השירות וקריטריוני העיצוב, ואי אפשר לתת מדד אמינות כמותי. דרישת החיים עם אמינות היא מאפיין בולט של תכנון מנוע מודרני, ועיצוב הסתברותי מבני הוא שיטת תכנון חשובה להבטיח אמינות מבנית.
שיטת העיצוב ההסתברותית המבנית מאמינה כי העומס החיצוני בפועל הפועל על המבנה ויכולת הנושא בפועל של המבנה הם שניהם כמויות הסתברותיות. אי אפשר לתת ערכים מדויקים במהלך העיצוב. הם נקראים משתנים אקראיים או תהליכים אקראיים, המצייתים להפצה מסוימת. לקיחת זאת כנקודת המוצא לעיצוב מבני [10] יכולה להתאים טוב יותר למציאות האובייקטיבית. במחקר של התוכנית המשולבת של תכנית טכנולוגיית טורבינה בעלת ביצועים גבוהים (IHPTET), הציעה ארצות הברית שיטת תכנון הסתברותית והקימה מערכת תכנון הסתברותית (PDS) למערכת הרוטור, שהפחיתה את שמורת התכנון המבני לרמת אמינות מקובלת והבטיחה איזון יחסי בין יכולת הבטיחות, כמי שמוצג באיור 2. תכנית ה- IHPTET (תכנית ה- TURTETET) של המונח של TURTUTE (Multipute Tocute). עייפות מחזור גבוהה הסתברותית של להבים כאחת הטכנולוגיות העיקריות. תוכנית היושרה המבנית של המנוע האמריקני (MIL-HDBK -1783 B) ציינה גם כי השימוש בשולי תכנון הסתברותיים במקום גורם בטיחות מסורתי או מרווח דטרמיניסטי יכול לייצג בצורה מדויקת יותר את השינויים בתגובת הרכיב. ה- FAA של ארצות הברית קידם את היישום של תכנון הסתברותי מבני בתחום התעופה האזרחית, והחליף את FAR33.14 בסעיף שוויון האוויר FAR33.70, כלומר, נקבע על ידי תכנון הסובלנות של הנזק על ידי סיכון יעד העיצוב.
על מנת לעמוד בדרישות הביצועים של מנועי מטוסים מתקדמים, יותר ויותר חומרים חדשים כמו סגסוגות אבקה, תרכובות בין -מטאליות, חומרים קרמיים, חומרים מורכבים וכו '. לחומרים אלה יש שיפורים ברורים על פני סגסוגות מתכת מסורתיות בתכונות מסוימות כמו חוזק, לחץ, צפיפות וכו ', אך ישנם גורמים לא בטוחים ומצבי כישלון חדשים בתכונותיהם החומריות, והשימוש בשיטות תכנון דטרמיניסטיות יפיק סטיות גדולות. לפיכך, יש צורך יותר לאמץ שיטות תכנון הסתברותיות למבני מנוע טיפוסיים תחת חומרים חדשים, מבנים חדשים ומערכות תהליכים חדשות. טכנולוגיות מפתח לתכנון הסתברותי של מבני מנוע טיפוסיים
1. מודל הסתברותי של גורמים אקראיים (1) מנועי מטוסי פיזור עומס, ובמיוחד מנועים צבאיים, צריך להשלים מספר גדול של משימות טיסה כמו שייט, פעלולים פשוטים, פעלולים מורכבים, תצורות, התקפה ויירוט, וכתוצאה מכך פיזור גדול של עומסי טמפרטורה. יש לשלב את הקמת מודל הסתברות העומס של המנוע עם טכנולוגיית עיבוד ספקטרום העומס, ויש ללמוד את עקרון המרת הנזק כגון ספקטרום עומס המנוע וספקטרום העומס המבני. על ידי איסוף ועיבוד של ספקטרום עומס טיסת המנוע וספקטרום הבדיקה, מתקבל חוק וריאציה של עומס של מבנה המנוע האופייני לאורך זמן, והתיאוריה הסטטיסטית משמשת לביסוס המאפיינים הסטטיסטיים של הסתברות עומס העבודה של מבנה המנוע הטיפוסי.
(2) פיזור חומרים ההבדלים בתהליך ההכנה של חומרים מבניים של המנוע מובילים לפיזור של פרמטרי ביצועים מכניים חומריים (כגון מודל אלסטי, יחס פויסון, עקומת מתח מתח וכו '); יחד עם זאת, בשל המורכבות של טכנולוגיית העיבוד, גם המאפיינים החומריים של חלקים שונים במבנה המנוע האופייני שונים באופן משמעותי. לכן יש צורך לשלב את נתוני הבדיקה של דגימות חומר סטנדרטיות וחלקים סימולציה אופייניים של חלקים שונים במבנה כדי לבסס מודל הסתברות המאומת על ידי ניסויים.
לדוגמה, כדי להתמודד עם פיזור הקשר בין חומר מחזורי מתח מחזורי, ניתן לפרק את המתח לרכיבי מתח אלסטיים ולרכיבי מתח פלסטי, ומשוואות ליניאריות של רכיבי מתח אלסטי, רכיבי מתח פלסטיים ולחץ נקבעים בהתאמה. המשוואות לעיל הן אקראיות ומודל ההסתברות של מתח מתח מחזורי נקבע בשיטת רגרסיה, כפי שמוצג באיור 3. (3) פיזור תהליכי תהליכים מתייחס לפיזור המבני הנגרם על ידי גורמים אקראיים כמו הכנת חומרים, שיטות עיבוד וטכנולוגיית גילוי.
אקראיות פגמים ראשונית. לשיטות הכנה לחומרים כמו זיוף, יציקה ולחיצה איזוסטטית חמה, המספר, המיקום והגודל של ליקויים ראשוניים כמו תכלילים, חורים וחללים בחומר הם כולם אקראיים, כפי שמוצג באיור 4. לפיכך, יש צורך לפתח נזק לאפיון של שיטות משטח/משטח משטח/משנה פנימי/ליקויים פנימיים ומעורבים במבני מנועים שונים. אקראיות מימד גיאומטרי. הממדים הגיאומטריים של מבני מנוע טיפוסיים הם אקראיים בגלל חוסר היציבות של טכנולוגיית העיבוד המכני. לשם כך, יש לקבוע את פרמטרי הממד הגיאומטרי העיקרי של מבני מנוע טיפוסיים באמצעות ניתוח רגישות, ולבצע סטטיסטיקות על הממדים הגיאומטריים העיקריים כדי לבסס את מאפייני חלוקת ההסתברות שלהם.
אקראיות מתח שיורית. חוסר היציבות של טכנולוגיית עיבוד כמו טכנולוגיית טיפול פני השטח של מבנה המנוע (כגון פנינג יורה, חיזוק לייזר), טכנולוגיית טיפול בחום (כגון תמיסה מוצקה, הזדקנות) ותהליכים אחרים (כמו ריתוך חיכוך ליניארי, ריתוך קרן אלקטרונים) מוביל ללחץ שיורי אקראי על פני השטח ובתוכו של המבנה. יש ללמוד באופן שיטתי את מודל ההסתברות של לחץ שיורי באמצעות סימולציה מספרית, בדיקת תהליכים וסטטיסטיקה מתמטית.
אקראיות של טכנולוגיית גילוי פגמים. טכנולוגיות גילוי שונות מובילות לאקראיות בגודל ובמיקום של הפגם המינימלי שניתן לגילוי. ההסתברות לגילוי פגמים (POD) מוצגת כדי לתאר את האקראיות הזו. על ידי הכנת דגימות פגומות עם סוגי פגמים, גדלים ומיקומים מספיקים, ביצוע מבחני גילוי פגמים והקמת מודל מתמטי של נתוני הגילוי, עקומת התרמילים של טכנולוגיית הגילוי מתקבלת על ידי עיבוד סטטיסטי.
2. מבנה מנוע טיפוסי מבני מנוע טיפוסיים (כמו מבני להב טורבינה) נתונים לעומסים/סביבות מורכבות לסירוגין של גז-חום-שדות, ומצבי הכישלון שלהם הם ברובם כישלונות עייפות מורכבים, כמו עייפות עייפות, עייפות בעומס המועמדות, המועמדות למצב של עייפות, על פי עייפות עייפות, על עייפות מנועית, על פי סביבות עייפות, על פי מעצבים, בעלי מעצבים עוסקים במבנה, טכנולוגיית מפתח לתכנון הסתברותי של מבני מנוע. יש לשלב מקרוב מחקר תיאורטי עם אימות ניסיוני כדי לחשוף את המנגנון של מצב הכישלון המורכב של מבני מנוע טיפוסיים תחת עומסים/סביבות מורכבות ולפתח שיטות חיזוי חיי עייפות מורכבות. בשילוב עם פיזור עומסים, חומרים ותהליכים, נקבע מודל הסתברות של כישלון עייפות מורכב של מבני מנוע טיפוסיים שאומתו על ידי ניסויים.
החוזק המבני וקבוצת המחקר האופטימיזציה הרב-תחומית של אוניברסיטת בייג'ינג באווירונאוטיקה ואסטרונאוטיקה לוקחת את הדיסק הטורבינה בלחץ גבוה של מנוע WP7 (עשוי GH33) כאובייקט לחקר ולפתח מערך של מודלים של סבירות, ומדובר במאפיינים של נגינה, כולל נגינה, מהן נזק למטרה, כולל דרישות של נגינה, לרבות נזק של נזק, נזק למטרה, למטרה, למדויק, למדויקים, במדויקים, במדויקים של נגימות. יישומים (איור 5). 3. טכנולוגיית ניתוח תגובה הסתברותית מבנית
התכנון ההסתברותי של מבני מנוע טיפוסיים כרוך בתחומים רבים ומבנים מורכבים. ישירות בשיטות מספריות כדי לפתור את ההסתברות/אמינות הכשל המבני יביא לזמן חישוב ארוך מדי. לפיכך, קביעת שיטת ניתוח תגובה הסתברותית מבנית היא טכנולוגיית מפתח לתכנון הסתברותי של מבני מנוע טיפוסיים.
נכון לעכשיו, שיטת משטח התגובה בשילוב עם שיטת מונטה קרלו משמשת לרוב לביצוע ניתוח תגובה של הסתברות מבנית, ומערכת מפותחים של מנוע של יעילות גבוהה ודיוק גבוה של ניתוח תגובה של ניתוח תגובה מתאימה למבני מנוע טיפוסיים כדי לפתור את בעיית החישוב העצום בניתוח ההסתברות המבנית. ניתן להשתמש בשיטות דגימה כמו שיטת Hypercube לטינית, שיטת Quasi-Monte Carlo, דגימה של צנטרואיד לטינית ודגימה חשובה; ניתן לבחור שיטות דוגמנות משוערות כמו רשת עצבית, מודל קריגינג ומכונת וקטור תמיכה (איור 6).
4. ניתוח רגישות לגורם אקראי
באמצעות ניתוח הרגישות של גורמים אקראיים, מצד אחד, ניתן לקבוע את הגורמים העיקריים המשפיעים על פיזור החיים המבניים, ומספקים בסיס תכנון לתכנון ההסתברות של מבני מנוע טיפוסיים; מצד שני, ניתן לעבד משתנים אקראיים עם מדדי רגישות נמוכים בתכנון הסתברות מבנית לפרמטרים דטרמיניסטיים, ובכך לחסוך זמן חישוב ולשפר את יעילות הפתרונות; ההתמקדות בפיזור הגורמים האקראיים העיקריים היא ישירה ומשמעותית יותר מגורמים אחרים בשיפור דיוק הפתרונות של הסתברות/אמינות של כישלון מבני.
5. מנוע מערכת תכנון הסתברות למבנה טיפוסי המכוונת למערכת תהליכי חומרי מנוע תעופה במדינה שלי, הקמת מנוע תעופה פלטפורמת תכנון הסתברות מבנה טיפוסי עם זכויות קניין רוחני עצמאיות היא גם טכנולוגיה מרכזית לתכנון הסתברות למבנה המנוע. מימוש פלטפורמת התכנון ההסתברותי של מבנה המנוע דורש מספר גדול של חישובים איטרטיביים. כל שינוי במודל הגיאומטרי במהלך תהליך החישוב יגרום לנתוני הניתוח כמו רשת הרשת ותנאי הגבול להשתנות בהתאם. לפיכך, טכנולוגיית החיבור בין המודל הגיאומטרי למודל הניתוח, השחזור האוטומטי של הרשת והעומס האוטומטי של הרשת הם קשיים טכניים שצריך לפתור.
לדוגמה, החוזק המבני וקבוצת המחקר האופטימיזציה הרב-תחומית של אוניברסיטת ביהאנג משתמשת בלוקים וירטואליים כדי להחליף מבנים גיאומטריים מורכבים כדי ליצור רשתות רב-בלוקים גמישות, מציגה את האילוצים של נקודות העוקב כדי להשיג את השחזור הרשת של המבנה הגאומטרי בביטוי המוצג בביטוי המוצג (Multipliation) (Multipliation, Aspodization) של Multipdization) של Multification). איור 7. עם תמיכת תוכנית ההגנה הלאומית 973, החוזק המבני וקבוצת המחקר האופטימיזציה הרב -תחומית של אוניברסיטת ביהאנג הציעו והקימו תהליך תכנון הסתברותי של דיסק טורבינה המבוסס על תהליך התכנון הדטרמיניסטי של דיסקי טורבינה, וקבע בתחילה את מערכת התכנון המבני של דיסק הטורבינות הראשון (TPDs) בסין. זה כולל את הפונקציות העיקריות של עיבוד ספקטרום העומס, עיבוד משתנה אקראי, דוגמנות גיאומטרית, ניתוח מצב כישלון וקבלת החלטות בעיצוב, ומשלב תוכנה מסחרית כמו UG, ANSYS ו- MATLAB, כפי שמוצג באיור 8. מספר היבטים שצריך ללמוד עוד יותר
טכנולוגיית העיצוב ההסתברותית של מבני מנוע טיפוסיים הפכה לאחת הטכנולוגיות המפתח המבטיחות ביותר לפתרון צוואר הבקבוק של מחקר ופיתוח מנועים מתקדמים. בהדרגה משתמשים בו בפיתוח חלקי מפתח במנועי אוויר מתקדמים בסין. זה יושם באופן מקומי וההשפעה מתחילה להראות. בשלב הבא של הפיתוח, יש להעמיק ולחזק את עבודות המחקר שלהלן.
1. 1. חומר-מבנה-מבנה-מבנה תכנון משולב תכנון מבני, חומר ושילוב תהליכים ואיטרציה הם הנתיבים הבסיסיים לשיפור רמת ההתפתחות המתקדמת של מנועי אוויר. היישום היעיל של טכנולוגיית תכנון הסתברותי מבני מנוע אינו ניתן להפרדה מהשיקול המשולב של חומרים ותהליכים. לפיכך, התכנון ההסתברותי של מבני המנוע צריך להתחיל ממקור התכנון, לחשוף את מנגנון ההשפעה והוויסות הרגיל של פרמטרים רגישים לייצור מבניים טיפוסיים על אמינות מבני המנוע, ויוצרים שיטת תכנון הסתברותית של מבני מנוע טיפוסיים, המשלבת את פרמטרי המנוע של המנוע, ובכך קביעת תיאוריה ושיטת שיטות-תכנון מנוע.
2. הדיסציפלינות משולבות זו עם זו. העיצוב ההסתברותי של תחום יחיד אינו יכול להבטיח שהמבנה המעוצב עומד בדרישות השימוש של האמינות.
