一种涡轮盘的疲劳-蠕变可靠性寿命评价方法

技术特征：
1.一种涡轮盘的疲劳-蠕变可靠性寿命评价方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：确定涡轮盘的材料属性参数、几何参数及其分散性规律；s2：利用拉丁超立方采样方法，对涡轮盘的材料属性参数和几何参数进行抽样，生成m组样本；s3：根据m组样本中的每一组样本的材料属性参数和几何参数，建立涡轮盘的三维模型，并对所述三维模型进行有限元分析，得到每一组样本的涡轮盘应力应变场；s4：根据每一组样本的涡轮盘应力应变场，对每一组样本的涡轮盘进行寿命模拟计算，得到每一组样本的疲劳-蠕变总寿命；s5：将m组样本的材料属性参数和几何参数作为输入，对应的疲劳-蠕变总寿命为输出，建立xgboost代理模型；s6：重新对涡轮盘的材料属性参数和几何参数进行抽样，得到扩充样本，并利用xgboost代理模型输出扩充样本的疲劳-蠕变总寿命；s7：对m组样本的疲劳-蠕变总寿命和扩充样本的疲劳-蠕变总寿命进行可靠性分析，得到涡轮盘的失效概率。2.根据权利要求1所述的涡轮盘的疲劳-蠕变可靠性寿命评价方法，其特征在于，所述材料属性参数包括不同温度下的杨氏模量、热膨胀系数、热传导率、蠕变本构模型参数、循环塑性本构模型参数、疲劳损伤模型参数和蠕变损伤模型参数。3.根据权利要求1所述的涡轮盘的疲劳-蠕变可靠性寿命评价方法，其特征在于，步骤s2进一步包括：s21：将材料属性参数和几何参数的累积分布函数分别分为m个区间；s22：针对每一个参数，在每一个区间内进行随机抽样获得一个样本数据，总计抽样m次获得m个样本点；s23：每一个参数的m个样本点分别与其他参数的m个样本点进行随机组合，得到m组样本。4.根据权利要求2所述的涡轮盘的疲劳-蠕变可靠性寿命评价方法，其特征在于，步骤s3进一步包括：s31：用以下公式描述涡轮盘材料的循环塑性本构模型的主控方程：s31：用以下公式描述涡轮盘材料的循环塑性本构模型的主控方程：s31：用以下公式描述涡轮盘材料的循环塑性本构模型的主控方程：s31：用以下公式描述涡轮盘材料的循环塑性本构模型的主控方程：s31：用以下公式描述涡轮盘材料的循环塑性本构模型的主控方程：
其中，为总应变分量，ε
e
为弹性应变分量，ε
p
为非弹性应变分量，e和v分别表示弹性模量和泊松比，s和trσ表示应力张量和应力张量的迹，i表示二阶单位张量，和表示非弹性应变率张量和累积非弹性应变率，表示等效分弹性应变，s和α表示应力张量的偏量和背应力张量的偏量，f表示屈服函数，q0为初始屈服应力，符号：代表二阶张量的内积，为背应力张量；α
i
为背应力分量；为塑性应变率；为累计塑性应变率，c
j
为初始随动硬化模量，γ
j
定义了随着塑性变形的增大，随动硬化模量c
j
减小的速率；s32：用以下公式描述涡轮盘材料的蠕变本构模型：其中，为等效蠕变应变率/s-1
，为等效蠕变应变，为等效偏应力，ψ、n、m以及为温度相关的模型参数；s33：基于m组样本中的每一组样本的几何参数，根据循环对称理论，以涡轮盘榫槽的数量x将模型简化为1/x，建立每一组样本的涡轮盘的三维模型，并分别在三维模型的子午面施加环向位移支撑，将每一组样本的材料属性参数、步骤s31的主控方程和步骤s32的蠕变本构模型分别施加到每一组样本的三维模型中，得到每一组样本的有限元分析模型；s34：根据涡轮盘稳态服役时的温度分布和服役温度载荷谱，设置温度边界条件，并施加载荷，通过有限元分析后得到每一组样本的应力应变场。5.根据权利要求4所述的涡轮盘的疲劳-蠕变可靠性寿命评价方法，其特征在于，步骤s34中施加的载荷包括离心载荷和温度载荷。6.根据权利要求2所述的涡轮盘的疲劳-蠕变可靠性寿命评价方法，其特征在于，材料的疲劳损伤模型满足如下关系式：其中，τ
max
和σ
n,max
分别表示一个循环周次内的最大剪应力和最大正应力，
△
γ/2和
△
ε/2分别表示剪切应变幅和正应变幅，τ’f
和γ
′
f
分别表示剪切疲劳强度和剪切延性强度，σ
′
f
为疲劳强度常数，g表示剪切模量，b0和c0表示两个关于疲劳强度和延性的指数，n
f
为疲劳寿命。7.根据权利要求6所述的涡轮盘的疲劳-蠕变可靠性寿命评价方法，其特征在于，材料的蠕变损伤模型满足如下关系式：
其中，b1和n1分别为材料相关的模型参数，r0为通用气体常数，t
d
为保载时间，q
sede
为sede模型激活能，为保载阶段非弹性应变能密度耗散率，是由非弹性应变率以及温度共同决定的失效应变能密度的方程，w
crit
为材料临界非弹性应变能密度耗散率。8.根据权利要求7所述的涡轮盘的疲劳-蠕变可靠性寿命评价方法，其特征在于，材料的疲劳-蠕变总寿命满足如下关系式：其中，n
c-f
为疲劳-蠕变总寿命。9.根据权利要求1所述的涡轮盘的疲劳-蠕变可靠性寿命评价方法，其特征在于，所述xgboost代理模型的目标函数满足如下关系式：其中，obj为目标函数，为正则项函数，为模型损失函数，y
t
表示在样本上的真实得分值，表示在样本上的预测得分值。10.根据权利要求1所述的涡轮盘的疲劳-蠕变可靠性寿命评价方法，其特征在于，步骤s7中的失效概率满足如下关系式：其中，n为疲劳-蠕变总寿命，μ
lgn
和σ
lgn
分别表示lgn的均值和标准差，n’为设计寿命。

技术总结
本发明涉及一种涡轮盘的疲劳-蠕变可靠性寿命评价方法，包括步骤：S1：确定涡轮盘的材料属性参数、几何参数及其分散性规律；S2：对材料属性参数和几何参数进行抽样，生成M组样本；S3：进行有限元分析，得到涡轮盘应力应变场；S4：获得每一组样本的疲劳-蠕变总寿命；S5：建立XGBoost代理模型；S6：重新抽样，得到扩充样本，并利用XGBoost代理模型输出扩充样本的疲劳-蠕变总寿命；S7：对所有样本的疲劳-蠕变总寿命进行可靠性分析，得到涡轮盘的失效概率。本发明的涡轮盘的疲劳-蠕变可靠性寿命评价方法，考虑涡轮盘的材料属性与关键位置几何尺寸的不确定性，从而获得稳态循环周次下的涡轮盘的失效概率。的失效概率。的失效概率。


技术研发人员：郭素娟 田若洲 王润梓 张显程 涂善东
受保护的技术使用者：华东理工大学
技术研发日：2022.04.07
技术公布日：2022/7/12