面向恶劣服役环境的工件抗缺陷结构优化设计方法及其应用

发布时间：2016-06-22 06:43

第1章绪论

当初始缺陷位于结构对缺陷敏感部位时，常常引起缺陷处产生过大应为集中的现象，并在短时间肉快速增长到对结构产生严重损伤作用的临界缺陷大小，导致机械零部件提前发生疲劳破坏，失去工作能力。初始缺陷对工件具有较大的潜在危害性，严重时可颠覆整个结构的安全设计，给工程实际带来不可估量的后果，并且对于一些复杂工况下服役的工件，运行中受力环境极其复杂，承受机械载荷、气动载荷、温度载荷、动载荷、循环交变载荷等多种载荷作用，工作环境恶劣，长期在高载荷、高转速的工作張度下连续工作，工作环境多为高湿、高压条件，运转过程中易受介质腐蚀、小颗粒粉尘结垢、大颗粒粉尘撞击等侵害，由于运行状态受多种恶劣因素的影响，造成工件结构强度明显的不足，，易出现裂纹，导致工件提前报废。经研究发现，工件由于＂先天缺陷＂或者＂后天缺陷＂引起的局部结构强度不足是工件的主要失效形式。因此，提高王件结构强度，增强结构对缺陷的免疫为，对于保障工件运行中的安全性具有重要意义。

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第2章基于推廓信息表示的缺陷参数化模型构建

2.1引言

裂纹缺陷模型是实现含缺陷工件结构安全性分析的基础，一些学者对此展开了研究，将裂纹模型施加到工件结构中用于模拟分析缺陷引起的结构强度变化，研究裂纹模型对工件结构的破坏机理：张俊红等利用平直型裂纹模型对疲劳裂纹改变工件振动特性的问题展开了研究，主要研究了直线型裂纹长度与位置变化对航空发动机叶片振动频率与振型的影响，提出裂纹的长度与位置会使叶片产生频率转向、模态精合与振型转换等现象；Liu等将直线型裂纹模型施加到平板结构中，基于数值流形方法对含裂纹结构体展开了研究，将含裂纹结构体划分成靠近裂纹尖端处的区域与其它区域，利用含不同位置的直线型裂纹的分析结果验证了数值流巧方法的有效性；将直线型裂纹模型施加到圆棒试样中，分析了在单轴载荷受力下的含裂纹圆棒结构的应为集中情况，并通过改变直线型裂纹的长度，研究了应为張度因子与扩展速率随裂纹长度的变化特点。上述的含缺陷结构强度研究中所采用的裂纹模型，主要为直线型裂纹模型，裂纹扩展方向在发育过程中不发生变化，裂纹始终处于一维扩展中，扩展路径为直线，如图2.1所示。

2.2基于轮廓数据的缺陷平面集合外形建模

裂纹图像能清晰完整的表达裂纹扩展中形成的二维形态，通过裂纹的轮廓可获得裂纹平面几何参数等信息。随着图像处理技术在视觉检测领域的广泛应用，基于图像技术对裂纹几何特征的研究越来越多，一些学者根据裂纹的深度、长度、形状、边界等特征对裂纹进行识别口。但目前关于裂纹几何特征方面的应用研究主要集中在裂纹识别方面，仅仅是通过提取的裂纹几何特征判断结构是否含有裂紋，实现工件结构的损伤检测，而关于裂纹几何特征对工件结构的疲劳强度影响分析的研究基本上没有。本文通过提取裂纹图像涵盖的二维扩展信息获得裂纹的平面几何形状特征，为构建裂纹实体模型的二维形状提供化据

第3章缺陷特征与结构强度损伤关联映射分析.....30

3.1引言....30
3.2考虑缺陷的结构损伤关联强度指标分析....31
3.3缺陷形位特征与工件结构的关联几何映射....33
3.4基于稍合关系的强度关联缺陷参数规划...40
3.5本章小结.....42
第4章考虑sobol缺陷敏感度的抗恶劣环境结构优化........43
4.1引言..........43.
4.2sobol缺陷敏感度模型构建.........43
4.3结构细节定向抗缺陷优化..........49
4.4本章小结...........53
第5章叶轮抗缺陷性能结构优化应用实例.....54
5.1引言...54
5.2缺陷对叶轮结构损失作用分析.......55
5.3叶轮结构抗缺陷性能优化.....60
5.4本章小结......66

第5章叶轮抗缺陷性能结构优化应用实例

5.1引言

目前对于叶轮分析一般主要集中在分析无缺陷叶轮应为应变分布情况，找出较大应力集中区域，并对叶轮进行强度安全校核，如最大等效应为不满足材料的屈服极限，则对结构最大等效应为集中区域进行改进，再重复前面应为应变分析直至应力满足安全要求。强度分析中没有考虑缺陷因素，造成改进后的结构对缺陷缺乏抵抗性，产生疲劳破坏。叶轮由于材料组织缺陷、制造环境与化学腐蚀等因素成型初期易存在微小裂紋，并且裂纹引起的叶片疲劳断裂是叶轮主要的失效形式，因此叶轮强度分析需考虑裂纹的危害；叶轮自身受为复杂，由于不同载荷受力方向不同，造成微小裂紋走向易存在不同的变化，由此产生曲折型裂纹，需考虑曲折型裂纹对叶轮强度的危害，因此，可将构建的曲折型裂纹施加到叶轮结构中。

5.2缺陷对叶轮结构损失作用分析

缺陷对叶轮的削弱作用往往与叶轮受为情况相关联，叶轮载荷主要有载荷、气动载荷与湿度载荷等。直接对叶轮进行精确的应力分析需要的计算工作量很大，因此，为探索裂纹的主削弱作用，对叶轮实际承受载荷状况进行合理的简化，在引起叶轮结构最大应为的载荷情况下，对含缺陷叶轮强度变化进行分析。目前研究表明叶轮主要载荷是高速旋转所产生的离吃、力，而由气动为产生的压为载荷及热应为产生的温度载荷相对离记、载荷比较小，并且叶轮最大等效应力集中区域主要由离Ａ为确定。考虑到缺陷对结构的损伤判断主要由最大等效应力数值大小与分布位置确定，因此本文在离记、为作用下，研究缺陷造成的叶轮强度变化。

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第6章总结与展望

本文结合项目需求，围绕恶劣环境下工件结构易出现疲劳破坏的问题，面向缺陷平面几何形状特征要求对缺陷进行结合轮廓信息、转折点栋度信息、直线规整化、深度信息的缺陷模型构建；针对工件结构与缺陷的关联映射要求，建立两者在几何方面的关联方式；针对抗缺陷性能优化对象选择盲目性问题，采用基于sobol缺陷敏感度的方法对工件结构易损部位与工件敏感结构参数进行定向寻找；对所提方法在叶轮结构上进行了应用分析，实现了含缺陷叶轮安全性能模拟分析与叶轮缺陷敏感部位定位，完成了叶轮结构的抗缺陷性能优化，为结构的安全性设计提供指导作用。本文的主要成果如下：（1）构建了含缺陷结构性能模拟仿真的缺陷模型针对缺陷形体复杂、直接获取真实缺陷形体特征较复杂的问题，分析了表征缺陷平面几何形状特征的缺陷模型形体需求，以真实缺陷图像为基础，敲合缺陷轮廓信息、推廓转折处的精度信息、直线规整化与V形形状的深度信息确定了3维缺陷裂纹参数化模型，模拟表达结构中存在的裂紋平面扩展姿态，完成含缺陪结构安全性模拟分析的模型构建。

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参考文献（略）

本文编号：59978