航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī) 強(qiáng)度設(shè)計(jì)問題與挑戰(zhàn)

古遠(yuǎn)興

航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱發(fā)動(dòng)機(jī)）是一個(gè)集高溫、高速、高壓及復(fù)雜振動(dòng)環(huán)境于一身的旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)品。如何使一個(gè)工作于如此苛刻環(huán)境下的高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械在保證高的可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性（低噪聲與低振動(dòng)）以及長壽命的同時(shí)，還要具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)效率？答案是必需依賴于航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)。

發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)包括：1）定量描述發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)及其零組件在使用環(huán)境及載荷作用下結(jié)構(gòu)變形、動(dòng)力響應(yīng)以及疲勞、蠕變、氧化腐蝕、塑性變形、斷裂及沖擊等損傷行為的理論和方法；2）考慮發(fā)動(dòng)機(jī)使用環(huán)境、載荷、結(jié)構(gòu)及材料工藝特性及其分散性，在發(fā)動(dòng)機(jī)研制和使用的全壽命周期內(nèi)，賦予發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)預(yù)期安全性、耐久性和可靠性的設(shè)計(jì)理論、方法和技術(shù)；3）為提高工程設(shè)計(jì)分析效率所需的發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論、方法和技術(shù)。

發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)涉及面廣，從整機(jī)載荷、整機(jī)剛性以及整機(jī)振動(dòng)，到零件的靜強(qiáng)度、變形與剛性、穩(wěn)定性、振動(dòng)以及壽命，都是發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)必需參與的領(lǐng)域。

因而，作為機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)的一個(gè)分支，發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)是一個(gè)費(fèi)時(shí)、耗錢的系統(tǒng)工程，其設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性需要大量的、不斷提高的設(shè)計(jì)實(shí)踐和產(chǎn)品應(yīng)用作為基礎(chǔ)。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)的成熟與發(fā)展與氣動(dòng)、熱力學(xué)科的發(fā)展相比，就更為艱辛漫長。

此外，如陶瓷復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等新材料，以及增材制造技術(shù)、激光表面強(qiáng)化以及激光修復(fù)技術(shù)等新工藝在航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，又給強(qiáng)度工程師帶來了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。

材料、工藝對(duì)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的影響與制約

強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)的核心是對(duì)結(jié)構(gòu)在使用環(huán)境及載荷作用下的反應(yīng)客觀的認(rèn)識(shí)和準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。用于制造特定結(jié)構(gòu)的材料以及工藝過程直接決定了在特定環(huán)境下、在給定載荷作用下特定結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能，也就決定了特定結(jié)構(gòu)從變形、振動(dòng)、損傷到機(jī)械性能衰退等各種對(duì)環(huán)境及載荷的反應(yīng)。當(dāng)一個(gè)零組件完成制造并裝配到發(fā)動(dòng)機(jī)上后，隨使用時(shí)間增長其機(jī)械性能不斷下降，因此，強(qiáng)度設(shè)計(jì)離不開對(duì)材料各種特性的掌握。

設(shè)計(jì)用材料性能數(shù)據(jù)對(duì)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的影響與制約

設(shè)計(jì)用材料性能數(shù)據(jù)是發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)分析與強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，沒有設(shè)計(jì)用材料性能數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)分析與強(qiáng)度設(shè)計(jì)便成為空中樓閣。因此，設(shè)計(jì)用材料性能數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性、完整性、可靠性在一定程度上反映了發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)分析與強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)有多扎實(shí)、實(shí)踐的深度有多深、實(shí)踐的廣度有多寬，并在一定程度上反映了結(jié)構(gòu)分析與強(qiáng)度設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐水平。

發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)分析與強(qiáng)度設(shè)計(jì)需要代表真實(shí)構(gòu)件特定部位機(jī)械性能的、具有一定置信度、可靠度的設(shè)計(jì)用材料性能數(shù)據(jù)。它需要包括基本物理性能，也要包括短時(shí)力學(xué)性能數(shù)據(jù)，不僅要包括不同材料工藝狀態(tài)、不同部位（典型如輪盤輪緣、輻板、輪心）、不同方向（典型如單晶、定向結(jié)晶）、典型溫度范圍、典型應(yīng)力/應(yīng)變/應(yīng)變比的低循環(huán)疲勞性能，還要包括不同溫度、不同工藝狀態(tài)（包括表面狀態(tài)）、不同部位、不同應(yīng)力集中部位高周疲勞性能，對(duì)于高溫合金，還需要不同溫度、不同應(yīng)力、不同持續(xù)時(shí)間下的持久性能、蠕變性能、熱-機(jī)疲勞性能等性能數(shù)據(jù)。

作為機(jī)械產(chǎn)品的航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)是一個(gè)逐步積累、提升的過程，這也反映在設(shè)計(jì)用性能數(shù)據(jù)的逐步積累、提升上。這些設(shè)計(jì)用性能數(shù)據(jù)的測(cè)量代價(jià)大，周期長，在應(yīng)用新材料、新工藝時(shí)，設(shè)計(jì)用性能數(shù)據(jù)的測(cè)試可能和材料、工藝的研制過程及應(yīng)用研究與驗(yàn)證同步開展，則設(shè)計(jì)用材料性能數(shù)據(jù)的缺乏問題更為突出。設(shè)計(jì)用材料性能數(shù)據(jù)不僅要全面、完整、可靠，而且還要有效地管理起來并方便用戶使用，以及新的數(shù)據(jù)的積累和有機(jī)融入已有測(cè)量數(shù)據(jù)（庫）中。

要開展民用航空動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)用材料性能數(shù)據(jù)是否符合要求是一個(gè)能否取得適航證必需邁過的第一道坎。

工藝過程控制及制造符合性對(duì)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的影響

如何從設(shè)計(jì)角度控制原材料、冶煉、鍛鑄過程、熱處理、焊接、機(jī)械加工、表面處理以及裝配過程，直接決定了構(gòu)件及裝配成形后的發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)在性能以及性能質(zhì)量的一致性、分散性。它直接影響著結(jié)構(gòu)分析和強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基本假設(shè)、對(duì)構(gòu)件/發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)裕度的設(shè)置、對(duì)構(gòu)件/發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)驗(yàn)證狀態(tài)的確定等等。因此，從設(shè)計(jì)角度需要認(rèn)識(shí)：1）哪些環(huán)節(jié)、哪些參數(shù)是需要設(shè)計(jì)控制的？2）這些辨識(shí)出來的需要控制的環(huán)節(jié)、參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)特性的影響程度？3）如何控制并確認(rèn)制造的符合性？4）設(shè)計(jì)用數(shù)據(jù)、方法是否準(zhǔn)確地反映了影響構(gòu)件/發(fā)動(dòng)機(jī)的制造主要環(huán)節(jié)、參數(shù)？5）過程控制的代價(jià)是否可以接受？

如果制造過程不能得到有效的控制，強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)的假設(shè)就與構(gòu)件/發(fā)動(dòng)機(jī)硬件狀態(tài)不符，設(shè)計(jì)結(jié)果也就不能代表真實(shí)狀態(tài)，意想不到的構(gòu)件失效就可能發(fā)生。

使用載荷及環(huán)境

如果說材料以及形成構(gòu)件/發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)過程賦予了構(gòu)件/發(fā)動(dòng)機(jī)硬件基本性能，它是否能夠在你期望的情況下可靠地工作，還決定另一個(gè)重要因素：使用載荷及環(huán)境。

使用載荷及環(huán)境是發(fā)動(dòng)機(jī)硬件的實(shí)際服役環(huán)境及服役中承受的工作載荷。就使用環(huán)境而言，在海洋環(huán)境中使用的發(fā)動(dòng)機(jī)，其零件易受到海洋腐蝕環(huán)境的影響，在沙漠環(huán)境使用的直升機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)，易于受到沙礫的沖蝕影響；就飛機(jī)用途而言，制空戰(zhàn)斗機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)、對(duì)地攻擊戰(zhàn)斗轟炸機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)、高空偵察機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)和運(yùn)輸機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)，由于其使用特點(diǎn)不同，發(fā)動(dòng)機(jī)的大狀態(tài)工作時(shí)間所占比例、轉(zhuǎn)速循環(huán)歷程差異也大。

設(shè)計(jì)用法

為了使設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)滿足預(yù)期要求，在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)初期，就必需首先確定設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)計(jì)的用法和使用環(huán)境，習(xí)慣稱為設(shè)計(jì)用法。設(shè)計(jì)用法包括飛機(jī)的任務(wù)及任務(wù)混頻、用法參數(shù)、工作包線、外部作用力（機(jī)動(dòng)載荷）、大氣環(huán)境條件、飛機(jī)引氣/功率提取、發(fā)動(dòng)機(jī)性能衰退后的用法等等。

設(shè)計(jì)用法確定得越詳細(xì)、與最終使用越接近，發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)假設(shè)中關(guān)于使用環(huán)境與載荷越接近真實(shí)情況，付出的結(jié)構(gòu)重量、制造成本、開發(fā)成本以及使用成本才可能與預(yù)期最接近。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中必需首先面對(duì)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)問題就是確定什么樣的設(shè)計(jì)用法。

設(shè)計(jì)用法僅提供發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的用法要求，從安全性角度考慮，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性關(guān)鍵零組件，還需確定其設(shè)計(jì)限制載荷和極限載荷，以便在付出的代價(jià)可接受的情況下保證足夠的安全性。對(duì)于安全性關(guān)鍵件，考慮什么樣的限制載荷和極限載荷，不同應(yīng)用環(huán)境要求不同，隨著對(duì)問題的認(rèn)識(shí)深入和技術(shù)的發(fā)展，其要求也會(huì)有變化。

因此，這些設(shè)計(jì)用法和能力要求是隨著設(shè)計(jì)實(shí)踐的積累不斷變化的，不能也不會(huì)一成不變。

構(gòu)件工作載荷的確定制約強(qiáng)度設(shè)計(jì)的精度及可靠性

除了從提供推力/功率和其他能量需求的航空動(dòng)力裝置角度需要明確其設(shè)計(jì)用法以外，為了設(shè)計(jì)出可靠、安全的發(fā)動(dòng)機(jī)，還必須準(zhǔn)確掌握發(fā)動(dòng)機(jī)特定構(gòu)件在發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境下的工作載荷。

特定構(gòu)件在發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境下的工作載荷主要包括轉(zhuǎn)動(dòng)引起的離心載荷、氣動(dòng)載荷、溫度載荷、流體/旋轉(zhuǎn)機(jī)械激振載荷、外部沖擊載荷、相鄰構(gòu)件傳遞的機(jī)械載荷等。由于轉(zhuǎn)速測(cè)量成熟、精度高，轉(zhuǎn)速控制精度也高，因此轉(zhuǎn)速引起的離心載荷在設(shè)計(jì)中把握較好。作為流體機(jī)械，葉片表面的氣動(dòng)載荷受到測(cè)試手段的約束其準(zhǔn)確分布往往不得而知，目前設(shè)計(jì)中更多采用CFD預(yù)測(cè)結(jié)果，這對(duì)葉片的強(qiáng)度設(shè)計(jì)帶來不可忽視的影響。葉片以及發(fā)動(dòng)機(jī)中與氣流直接接觸的薄壁構(gòu)件，工作中還有一類重要的載荷是由于旋轉(zhuǎn)和流場(chǎng)的非定常特性產(chǎn)生的流體交變載荷和機(jī)械旋轉(zhuǎn)引起的機(jī)械交變載荷，這種交變載荷如果頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率吻合，便可能產(chǎn)生共振響應(yīng)，或者導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)氣彈不穩(wěn)定，引發(fā)結(jié)構(gòu)失效。因此，如何準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)作用在葉片及其他薄壁構(gòu)件上的交變激振力的分布及大小，是進(jìn)行構(gòu)件抗高周疲勞設(shè)計(jì)的核心問題。在對(duì)轉(zhuǎn)渦輪設(shè)計(jì)中，葉片流體激振力的準(zhǔn)確預(yù)計(jì)是其設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。軸承設(shè)計(jì)、傳動(dòng)齒輪設(shè)計(jì)中，機(jī)械交變載荷大小及其分布特性仍然是設(shè)計(jì)關(guān)注的焦點(diǎn)之一。

作為高溫旋轉(zhuǎn)機(jī)械的典型零件——復(fù)雜冷卻葉片不僅承受了高溫，同時(shí)還承受了大的溫度梯度和快速的溫度變化，由此產(chǎn)生了不可忽視的熱應(yīng)力。熱應(yīng)力的準(zhǔn)確預(yù)計(jì)需要準(zhǔn)確的構(gòu)件空間溫度分布和隨時(shí)間的變化，準(zhǔn)確的溫度預(yù)計(jì)又與特別是過渡態(tài)的空氣系統(tǒng)預(yù)計(jì)密切相關(guān)，過渡態(tài)的空氣系統(tǒng)預(yù)計(jì)不僅與主流通道的氣動(dòng)熱力參數(shù)準(zhǔn)確與否密切相關(guān)，還與結(jié)構(gòu)在氣動(dòng)、機(jī)械及熱載荷作用下以及構(gòu)件不可忽視的制造偏差等造成的空氣系統(tǒng)間隙及間隙變化密切相關(guān)。由此可見高溫構(gòu)件的溫度載荷確定的復(fù)雜性。構(gòu)件的高溫載荷確定的準(zhǔn)確與否，直接制約了高溫構(gòu)件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)水平。

上述這些載荷的準(zhǔn)確確定，都離不開試驗(yàn)，試驗(yàn)中的氣動(dòng)、熱、機(jī)械參數(shù)測(cè)量，大部分就是為了準(zhǔn)確獲取構(gòu)件的工作環(huán)境及載荷條件。

對(duì)于長壽命發(fā)動(dòng)機(jī)或者在腐蝕環(huán)境中工作的構(gòu)件，大氣腐蝕或燃?xì)飧g條件也需要準(zhǔn)確掌握。

在發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，一個(gè)容易被忽視的環(huán)境因素是阻尼環(huán)境。由于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片及薄壁結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)高周疲勞，要準(zhǔn)確地預(yù)計(jì)構(gòu)件的振動(dòng)響應(yīng)，除了需要準(zhǔn)確預(yù)計(jì)激振力外，還需要對(duì)構(gòu)件的阻尼有準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。典型如整機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析中，由于靜子結(jié)構(gòu)件有較多的連接結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)阻尼較大，支點(diǎn)如果采用了有效的阻尼器，其阻尼也較大，但是轉(zhuǎn)子在做宏觀渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其結(jié)構(gòu)阻尼就較小，這些都對(duì)整機(jī)振動(dòng)響應(yīng)影響較大。另外，整體葉盤的結(jié)構(gòu)阻尼低，振動(dòng)響應(yīng)往往較大。比如某整體鑄造渦輪葉盤，由于其結(jié)構(gòu)阻尼低，其振動(dòng)響應(yīng)峰值尖，峰值響應(yīng)大，這是其固有特性，如果設(shè)計(jì)初期對(duì)此認(rèn)識(shí)不足，就容易引起強(qiáng)度設(shè)計(jì)問題。

強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析技術(shù)

考慮發(fā)動(dòng)機(jī)使用環(huán)境、載荷、結(jié)構(gòu)及材料工藝特性及其分散性，在發(fā)動(dòng)機(jī)研制和使用的全壽命周期內(nèi)，賦予發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)預(yù)期安全性、耐久性和可靠性的設(shè)計(jì)理論、方法和技術(shù)，是發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析的核心。它建立在準(zhǔn)確、系統(tǒng)、全面反映實(shí)際構(gòu)件狀態(tài)的設(shè)計(jì)用性能數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，也建立在準(zhǔn)確的發(fā)動(dòng)機(jī)及其構(gòu)件使用環(huán)境及載荷基礎(chǔ)上，通過強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析方法技術(shù)把部件性能、發(fā)動(dòng)機(jī)使用環(huán)境及載荷、發(fā)動(dòng)機(jī)及構(gòu)件試驗(yàn)驗(yàn)證等有機(jī)結(jié)合成為完整的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系統(tǒng)工作。

隨著新材料、新工藝及新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，構(gòu)件在環(huán)境和使用載荷作用下的損傷行為的深入認(rèn)識(shí)，強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析技術(shù)也會(huì)不斷深化、發(fā)展。

新材料新工藝新結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)為了追求高的熱效率、部件效率和結(jié)構(gòu)效率，耐高溫、高比剛度、高比強(qiáng)度的材料不斷用于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)踐?，F(xiàn)在開始使用、未來將成為發(fā)動(dòng)機(jī)中主體的新材料包括：耐高溫樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料、碳碳復(fù)合材料、鈦鋁金屬間化合物、新一代單晶、新一代粉末冶金材料、TBC涂層、智能材料等等。這些新材料用于發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件必然涉及如何可靠、高效地使用這些新材料的問題。這些材料的變形行為、損傷失效行為、構(gòu)件性能表征與評(píng)價(jià)、構(gòu)件的結(jié)構(gòu)分析方法及強(qiáng)度評(píng)估方法與準(zhǔn)則、構(gòu)件制作過程對(duì)構(gòu)件的性能影響等，都必須在用于發(fā)動(dòng)機(jī)之前予以解決，并通過試樣、模擬構(gòu)件、全尺寸構(gòu)件的試驗(yàn)予以驗(yàn)證。解決這些問題的過程也促進(jìn)了強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步。

整體葉盤、整體葉環(huán)、異種金屬焊接結(jié)構(gòu)、骨架結(jié)構(gòu)、復(fù)雜冷卻結(jié)構(gòu)、增材制造等新結(jié)構(gòu)、新工藝的應(yīng)用，也給強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析技術(shù)帶來了挑戰(zhàn)。整體葉盤、整體葉環(huán)的應(yīng)用，就需要我們考慮是否需要采用新的阻尼減振技術(shù)，也需要我們考慮為了使葉盤高周疲勞概率降低到可以接受的程度，應(yīng)該如何控制葉片的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力水平，為了給修復(fù)提供可操作余地，輪緣結(jié)構(gòu)應(yīng)該如何控制，與盤、片分離結(jié)構(gòu)相比，葉身前后緣是否有必要加強(qiáng)等。異種金屬材料焊接結(jié)構(gòu)的正確應(yīng)用，也需要通過各種分析和試驗(yàn)手段明確焊接結(jié)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)各種使用環(huán)境和載荷下的損傷失效行為，并建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展不僅受到新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝的推動(dòng)。受到設(shè)計(jì)分析效率、設(shè)計(jì)分析對(duì)精度的需求驅(qū)使，強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析方法自身也在不斷創(chuàng)新、完善與提高。

概率設(shè)計(jì)方法應(yīng)用

作為機(jī)械產(chǎn)品，航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)及其構(gòu)件也存在機(jī)械性能分散，幾何尺寸分散，內(nèi)在缺陷分散，構(gòu)件之間相互作用具有分散特性，特定發(fā)動(dòng)機(jī)/構(gòu)件在使用載荷、維護(hù)上也具有分散性，這些分散特性，決定了發(fā)動(dòng)機(jī)及其構(gòu)件的強(qiáng)度、動(dòng)力特性、變形、壽命等具有明顯的分散特性。一個(gè)典型的例子是在相同試驗(yàn)載荷條件下，采用同一套圖紙制造的輪盤的低循環(huán)疲勞試驗(yàn)最長壽命與最短壽命之比可達(dá)4倍，對(duì)于粉末盤更大。除了構(gòu)件自身的不確定性外，強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析方法本身具有的不確定性也需在強(qiáng)度設(shè)計(jì)中考慮，試驗(yàn)驗(yàn)證以及用以證明試驗(yàn)驗(yàn)證有效性的物理參數(shù)測(cè)試也具有不確定性。這些不確定性驅(qū)使發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)人員考慮如何把概率設(shè)計(jì)方法用于發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的低周疲勞、高周疲勞、靜強(qiáng)度、穩(wěn)定性、損傷容限等設(shè)計(jì)中。

在進(jìn)行概率結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析時(shí)，首先必須通過分析、測(cè)量、試驗(yàn)及統(tǒng)計(jì)等方法和手段獲取、掌握影響構(gòu)件最終可靠性的主要影響因素及其分布特性。其次，必須理解、掌握這些主要影響因素是否相互獨(dú)立地對(duì)構(gòu)件的最終可靠性產(chǎn)生影響。第三，還必須確定合適的設(shè)計(jì)分析模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度概率設(shè)計(jì)分析。這里就牽涉到計(jì)算量問題，要解決計(jì)算量問題，就必須采用合適的計(jì)算策略（計(jì)算方法）。第四，還需注意建立與概率設(shè)計(jì)分析方法相匹配的設(shè)計(jì)分析準(zhǔn)則。

多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了確定發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的尺寸及有關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)要求，往往要?dú)鈩?dòng)、傳熱、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、工藝、空氣系統(tǒng)甚至聲學(xué)等多專業(yè)人員反復(fù)迭代，專業(yè)之間常常表現(xiàn)為強(qiáng)耦合。在發(fā)動(dòng)機(jī)中，冷端件典型如風(fēng)扇葉片，它需要?dú)鈩?dòng)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、聲學(xué)、工藝等多專業(yè)人員共同設(shè)計(jì)、分析，滿足各方面對(duì)葉片的需求和約束，如果采用各專業(yè)串聯(lián)迭代設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)周期注定很長。為了解決葉片的振動(dòng)或者增大某兩階模態(tài)的頻率分離度，可能就得花幾個(gè)月時(shí)間。在發(fā)動(dòng)機(jī)中，熱端件如氣冷渦輪葉片，其氣動(dòng)、冷卻、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及工藝更是緊密耦合的，需要?dú)鈩?dòng)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、冷卻設(shè)計(jì)以及工藝人員通力合作，反復(fù)迭代，一排氣冷渦輪轉(zhuǎn)子葉片設(shè)計(jì)，為了解決壽命問題，可能其設(shè)計(jì)周期長達(dá)一年甚至更長。為了確定發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，也需要結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、空氣系統(tǒng)、熱分析、工藝之間迭代設(shè)計(jì)才能滿足個(gè)專業(yè)的需求與約束。要設(shè)計(jì)好渦輪承力框架，必須解決好由于溫差大、變形大導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)可靠定心與控制熱應(yīng)力在可接受范圍內(nèi)的矛盾問題，要解決這個(gè)矛盾，必需空氣系統(tǒng)、熱分析、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及工藝多專業(yè)共同參與。發(fā)動(dòng)機(jī)中的構(gòu)件這種需要多專業(yè)共同參與設(shè)計(jì)，專業(yè)之間又常常表現(xiàn)為強(qiáng)耦合，以及設(shè)計(jì)迭代周期長等特點(diǎn)，決定了多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)必需首先建立在各學(xué)科有可靠的定量設(shè)計(jì)分析工具基礎(chǔ)上，其次，要對(duì)各專業(yè)之間的相互影響、相互制約關(guān)系有比較準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，并盡可能建立定量約束關(guān)系，第三，對(duì)各學(xué)科的約束條件、有關(guān)參數(shù)取值范圍研究清楚并能定量描述，第四，針對(duì)特定構(gòu)件的特定問題建立恰當(dāng)?shù)膬?yōu)化模型，第五，合適的優(yōu)化算法降低計(jì)算的復(fù)雜性和計(jì)算規(guī)模，最后，多學(xué)科綜合優(yōu)化結(jié)果的評(píng)定與檢驗(yàn)。

目前多學(xué)科綜合優(yōu)化方法已開始在發(fā)動(dòng)機(jī)零件設(shè)計(jì)中應(yīng)用，未來它將是解決設(shè)計(jì)分析效率、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要手段。

結(jié)構(gòu)損傷及新的結(jié)構(gòu)仿真分析方法

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的核心是如何定量描述發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)及其零組件在使用環(huán)境及載荷作用下結(jié)構(gòu)變形、動(dòng)力響應(yīng)以及疲勞、蠕變、氧化腐蝕、塑性變形、斷裂及沖擊等損傷行為。

其中，在使用環(huán)境及載荷作用下的損傷及其演變過稱是進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)，損傷過程是高度非線性的過程。如何對(duì)不同材料、不同構(gòu)件在不同使用環(huán)境及載荷作用下的損傷演變過程進(jìn)行更加準(zhǔn)確的仿真分析，過去、現(xiàn)在、將來都是強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展焦點(diǎn)之一。這也包括多種損傷因素的復(fù)合作用過程，如高、低周復(fù)合疲勞損傷、蠕變與低循環(huán)疲勞復(fù)合損傷、復(fù)合材料的多模式復(fù)合損傷、腐蝕與蠕變復(fù)合損傷等等。

對(duì)于復(fù)合材料、功能材料的應(yīng)用，如何更加清晰地認(rèn)識(shí)構(gòu)件在外載荷作用下的應(yīng)力、變形響應(yīng)，結(jié)構(gòu)宏-細(xì)觀分析方法也將在發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件設(shè)計(jì)分析中占有一席之地。

發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件相互作用而成為一個(gè)整體，為了對(duì)整機(jī)及構(gòu)件之間的相互作用理解更深刻、準(zhǔn)確，也需要整機(jī)結(jié)構(gòu)多尺度縮放分析技術(shù)。

這些強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析技術(shù)的進(jìn)步，也將推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)水平的發(fā)展，提高強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析質(zhì)量。

強(qiáng)度試驗(yàn)及測(cè)試技術(shù)

強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展、能力的提升，離不開強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)和手段的發(fā)展，也離不開有關(guān)測(cè)試技術(shù)和手段的發(fā)展。同樣地，強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)和測(cè)試技術(shù)如果落后，也必定制約強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。

強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)的核心是如何構(gòu)建與期望的工作環(huán)境一致的模擬環(huán)境來獲取或驗(yàn)證試樣、模擬件、真實(shí)構(gòu)件的機(jī)械性能特性。強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)也包括試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)融合技術(shù)。為了降低成本、縮短驗(yàn)證周期，獲取足夠具有代表性的試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，如何建立高溫構(gòu)件的模擬工作環(huán)境來進(jìn)行高溫構(gòu)件的驗(yàn)證就成為一個(gè)關(guān)鍵問題。復(fù)合材料構(gòu)件的大量使用，其驗(yàn)證方法和手段也給強(qiáng)度試驗(yàn)人員提出了挑戰(zhàn)。

構(gòu)件強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)需要發(fā)展，整機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性、安全性及耐久性試驗(yàn)方法及技術(shù)也是需要不斷改進(jìn)、發(fā)展的重要領(lǐng)域。通過什么樣的模擬環(huán)境、經(jīng)過什么樣的載荷模擬，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)結(jié)果可以驗(yàn)證什么結(jié)構(gòu)特性，是整機(jī)試驗(yàn)技術(shù)研究的重要內(nèi)容。

強(qiáng)度試驗(yàn)離不開測(cè)試，發(fā)動(dòng)機(jī)及其構(gòu)件的工作環(huán)境及載荷的確定也離不開測(cè)試。發(fā)動(dòng)機(jī)中大部分的參數(shù)測(cè)量與構(gòu)件工作環(huán)境及載荷直接相關(guān)。即使是為了評(píng)估氣動(dòng)效率的氣動(dòng)熱力參數(shù)，也是用于分析、確定構(gòu)件工作環(huán)境及載荷的直接參數(shù)。

從強(qiáng)度設(shè)計(jì)角度，葉片高轉(zhuǎn)速（高過載）、耐溫能力超過1000℃的動(dòng)應(yīng)變測(cè)試技術(shù)是開發(fā)先進(jìn)渦輪的必備條件。某發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片如果不是高過載、高溫動(dòng)應(yīng)變測(cè)試技術(shù)支持，其故障原因也就難以確定并解決。另外，復(fù)雜氣冷渦輪葉片的溫度場(chǎng)測(cè)量，以及溫度隨時(shí)間的變化特性是確定、驗(yàn)證氣冷渦輪葉片熱載荷的最直接的手段，如果不能進(jìn)行溫度場(chǎng)及其隨時(shí)間的變化規(guī)律測(cè)量，則渦輪葉片的熱載荷只能借助于模擬冷效試驗(yàn)確定，其精度也會(huì)受到嚴(yán)重制約，或者最終只能依賴發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境下的考核驗(yàn)證試驗(yàn)來檢驗(yàn)強(qiáng)度設(shè)計(jì)結(jié)果。

為了掌握作用在構(gòu)件上的氣動(dòng)載荷，流場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)及脈動(dòng)參數(shù)測(cè)量也是提高分析精度必需的基礎(chǔ)技術(shù)。為了提高構(gòu)件壽命預(yù)測(cè)精度，局部應(yīng)力集中部位的應(yīng)變場(chǎng)測(cè)量技術(shù)可以為預(yù)測(cè)分析提供詳細(xì)的測(cè)試數(shù)據(jù)。

非接觸式振動(dòng)測(cè)量已開始廣泛用于試驗(yàn)中，未來隨著非接觸振動(dòng)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和信號(hào)分析辨識(shí)能力的提高，非接觸式振動(dòng)測(cè)量將成為發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)視系統(tǒng)的重要組成部分。另外，如果能夠開發(fā)出構(gòu)件損傷在線檢測(cè)方法，強(qiáng)度技術(shù)人員不僅可以把它用于檢驗(yàn)其理論損傷演化預(yù)測(cè)分析，還可以把它作為發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)視系統(tǒng)的核心來確保發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性、安全性，使結(jié)構(gòu)問題導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)故障降至可以忽略的程度。

結(jié)束語

發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)直接決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性、耐久性、安全性水平，新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝能否用于發(fā)動(dòng)機(jī)，往往最后受到強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)的制約。發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的核心技術(shù)。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)水平又受到材料性能數(shù)據(jù)、試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)積累以及測(cè)試試驗(yàn)手段等的制約，其發(fā)展、提升也是一個(gè)漫長的過程，需要在發(fā)動(dòng)機(jī)研究與發(fā)展的各個(gè)階段予以足夠的重視與支持。

（作者系中航工業(yè)燃?xì)鉁u輪研究院強(qiáng)度副總師）