本發(fā)明涉及溫度和應(yīng)力分析，特別地，涉及一種發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件的瞬態(tài)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)快速計(jì)算方法及系統(tǒng)、電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)可讀取的存儲(chǔ)介質(zhì)。
背景技術(shù)：
1、航空發(fā)動(dòng)機(jī)在極端條件下運(yùn)行時(shí)，如高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速和復(fù)雜載荷等，渦輪盤(pán)、渦輪葉片、燃燒室等關(guān)鍵構(gòu)件常常承受著極高的溫度和應(yīng)力，這些關(guān)鍵構(gòu)件的性能和可靠性直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的整體效率和壽命，而對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度和應(yīng)力分析，傳統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算方法通常耗時(shí)較長(zhǎng)且計(jì)算復(fù)雜。
2、而隨著航空技術(shù)的發(fā)展，工程應(yīng)用對(duì)分析效率的要求越來(lái)越高，特別是在設(shè)計(jì)、優(yōu)化和故障預(yù)測(cè)等方面，迫切需要更加高效的快速計(jì)算方法來(lái)輔助決策。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、制造以及維護(hù)過(guò)程中，預(yù)測(cè)關(guān)鍵構(gòu)件的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求不斷提高，對(duì)其可靠性、安全性和耐久性的要求也愈發(fā)嚴(yán)格，溫度和應(yīng)力的準(zhǔn)確計(jì)算對(duì)于設(shè)計(jì)優(yōu)化和壽命預(yù)測(cè)至關(guān)重要。例如，隨著國(guó)內(nèi)外民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)壽命管理框架趨于成熟，發(fā)動(dòng)機(jī)服役狀態(tài)下關(guān)鍵構(gòu)件的使用壽命消耗評(píng)估和剩余壽命預(yù)測(cè)已經(jīng)成為其中最重要的一環(huán)，常規(guī)情況下發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵構(gòu)件會(huì)相互拆換，將未到限的關(guān)鍵構(gòu)件拆換到其他發(fā)動(dòng)機(jī)上，以便實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵構(gòu)件利用最大化，因此要求關(guān)鍵構(gòu)件的剩余壽命評(píng)估要盡可能準(zhǔn)確，并且根據(jù)已有的相關(guān)歷史記錄，能夠快速跟蹤計(jì)算出當(dāng)前截止?fàn)顟B(tài)下的壽命損耗。
3、因此，通過(guò)快速計(jì)算，可以更快地分析發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件在各種工況下的溫度分布和應(yīng)力集中情況，有助于識(shí)別潛在的薄弱環(huán)節(jié)或危險(xiǎn)部位，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。例如，在發(fā)動(dòng)機(jī)服役期間，通過(guò)溫度和應(yīng)力的快速計(jì)算方法可以實(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)鍵構(gòu)件的工作狀態(tài)，并預(yù)測(cè)其壽命，這樣能夠提前預(yù)防疲勞失效等問(wèn)題，降低發(fā)動(dòng)機(jī)故障風(fēng)險(xiǎn)，保障飛行安全；另外，隨著航空工業(yè)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推重比和效率的要求不斷提高，高溫高壓環(huán)境下的溫度和應(yīng)力快速計(jì)算方法能為新型高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)提供科學(xué)依據(jù)，有助于推動(dòng)航空動(dòng)力技術(shù)的創(chuàng)新和突破。因此，開(kāi)發(fā)航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件的溫度和應(yīng)力快速計(jì)算方法可以顯著提升計(jì)算效率，使工程師能夠在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行溫度和應(yīng)力分析，這對(duì)于加快設(shè)計(jì)迭代、減少開(kāi)發(fā)周期和成本具有重要意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明提供了一種發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件的瞬態(tài)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)快速計(jì)算方法及系統(tǒng)、電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)可讀取的存儲(chǔ)介質(zhì)，其可以大大提高計(jì)算速度、便于進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化、降低了建模復(fù)雜度以及降低數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸壓力。
2、根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件的瞬態(tài)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)快速計(jì)算方法，包括以下內(nèi)容：
3、基于相似準(zhǔn)則建立關(guān)鍵構(gòu)件的溫度關(guān)于進(jìn)口總溫、進(jìn)口總壓和轉(zhuǎn)速的簡(jiǎn)單計(jì)算模型，以及應(yīng)力關(guān)于進(jìn)口總溫、進(jìn)口總壓和轉(zhuǎn)速的簡(jiǎn)單計(jì)算模型；
4、分別對(duì)溫度和應(yīng)力的簡(jiǎn)單計(jì)算模型進(jìn)行敏感性參數(shù)分析，并根據(jù)敏感性參數(shù)分析結(jié)果建立瞬態(tài)應(yīng)力計(jì)算模型和穩(wěn)態(tài)溫度計(jì)算模型；
5、基于溫度的簡(jiǎn)單計(jì)算模型建立關(guān)鍵構(gòu)件在服役條件下的瞬態(tài)溫度模型，并基于半無(wú)限大平板假設(shè)和穩(wěn)態(tài)溫度計(jì)算模型將瞬態(tài)溫度模型轉(zhuǎn)換為瞬態(tài)溫度響應(yīng)模型；
6、對(duì)瞬態(tài)溫度響應(yīng)模型和瞬態(tài)應(yīng)力計(jì)算模型中的待定系數(shù)進(jìn)行非線性擬合，并利用非線性擬合得到的兩個(gè)模型分別計(jì)算關(guān)鍵構(gòu)件的瞬態(tài)溫度和瞬態(tài)應(yīng)力。
7、進(jìn)一步地，所述穩(wěn)態(tài)溫度計(jì)算模型的表達(dá)式為：
8、;
9、其中，表示穩(wěn)態(tài)溫度， n表示關(guān)鍵構(gòu)件內(nèi)轉(zhuǎn)子部件的當(dāng)前轉(zhuǎn)速， n0表示關(guān)鍵構(gòu)件內(nèi)轉(zhuǎn)子部件的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，a1和a2表示待定系數(shù)。
10、進(jìn)一步地，所述瞬態(tài)溫度模型的表達(dá)式為：
11、;
12、其中， t表示瞬態(tài)溫度，表示關(guān)鍵構(gòu)件的進(jìn)口總壓， p0表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的大氣壓力，表示關(guān)鍵構(gòu)件的進(jìn)口總溫， t0表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的大氣溫度， n表示關(guān)鍵構(gòu)件內(nèi)轉(zhuǎn)子部件的當(dāng)前轉(zhuǎn)速， n0表示關(guān)鍵構(gòu)件內(nèi)轉(zhuǎn)子部件的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速， c1、 c2、 c3、 c4和 c5均為待定系數(shù)， δt表示前后兩個(gè)時(shí)刻的溫差， t表示前后兩個(gè)時(shí)刻的時(shí)間差， k表示調(diào)整系數(shù)，由發(fā)動(dòng)機(jī)材料決定， t0表示時(shí)間常數(shù)， t0= f（δt， cp， λ)， cp表示定壓比熱容， λ表示導(dǎo)熱系數(shù)。
13、進(jìn)一步地，所述基于半無(wú)限大平板假設(shè)和穩(wěn)態(tài)溫度計(jì)算模型將瞬態(tài)溫度模型轉(zhuǎn)換為瞬態(tài)溫度響應(yīng)模型的過(guò)程包括以下內(nèi)容：
14、基于半無(wú)限大平板假設(shè)將瞬態(tài)溫度模型視為半無(wú)限大平板的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程，并基于第三類邊界條件和穩(wěn)態(tài)溫度計(jì)算模型將瞬態(tài)溫度模型轉(zhuǎn)換為關(guān)鍵構(gòu)件表面的溫度響應(yīng)模型，再將溫度響應(yīng)模型中邊界條件和運(yùn)行工況的影響通過(guò)待定系數(shù)體現(xiàn)并忽略溫度響應(yīng)模型中位置的影響，以對(duì)溫度響應(yīng)模型進(jìn)行修正，從而得到關(guān)鍵構(gòu)件的瞬態(tài)溫度響應(yīng)模型。
15、進(jìn)一步地，所述瞬態(tài)溫度響應(yīng)模型的表達(dá)式為：
16、;
17、其中，表示時(shí)刻的瞬態(tài)溫度，表示穩(wěn)態(tài)溫度，表示材料密度，b、d和e為待定系數(shù)。
18、進(jìn)一步地，當(dāng)計(jì)算時(shí)刻與初始時(shí)刻的時(shí)間間隔超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，所述瞬態(tài)溫度響應(yīng)模型的表達(dá)式為：
19、;
20、其中，表示瞬態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程中 t+1時(shí)刻的瞬態(tài)溫度，表示瞬態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程中 t時(shí)刻的瞬態(tài)溫度，c表示待定系數(shù)。
21、進(jìn)一步地，在瞬態(tài)應(yīng)力計(jì)算模型中，某一方向的瞬態(tài)應(yīng)力計(jì)算公式為：
22、；
23、；
24、；
25、；
26、其中，表示瞬態(tài)應(yīng)力，、和分別表示瞬態(tài)的離心應(yīng)力、熱應(yīng)力和氣動(dòng)應(yīng)力，表示關(guān)鍵構(gòu)件的進(jìn)口總壓， p0表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的大氣壓力，表示關(guān)鍵構(gòu)件的進(jìn)口總溫， t0表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的大氣溫度， n表示關(guān)鍵構(gòu)件內(nèi)轉(zhuǎn)子部件的當(dāng)前轉(zhuǎn)速， n0表示關(guān)鍵構(gòu)件內(nèi)轉(zhuǎn)子部件的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，k1、k2、k3、g1、g11、g2、g21、g3、g31和h1均為待定系數(shù)。
27、另外，本發(fā)明還提供一種發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件的瞬態(tài)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)快速計(jì)算系統(tǒng)，包括：
28、簡(jiǎn)單計(jì)算模型構(gòu)建模塊，用于基于相似準(zhǔn)則建立關(guān)鍵構(gòu)件的溫度關(guān)于進(jìn)口總溫、進(jìn)口總壓和轉(zhuǎn)速的簡(jiǎn)單計(jì)算模型，以及應(yīng)力關(guān)于進(jìn)口總溫、進(jìn)口總壓和轉(zhuǎn)速的簡(jiǎn)單計(jì)算模型；
29、敏感性參數(shù)分析模塊，用于分別對(duì)溫度和應(yīng)力的簡(jiǎn)單計(jì)算模型進(jìn)行敏感性參數(shù)分析，并根據(jù)敏感性參數(shù)分析結(jié)果建立瞬態(tài)應(yīng)力計(jì)算模型和穩(wěn)態(tài)溫度計(jì)算模型；
30、瞬態(tài)溫度響應(yīng)模型構(gòu)建模塊，用于基于溫度的簡(jiǎn)單計(jì)算模型建立關(guān)鍵構(gòu)件在服役條件下的瞬態(tài)溫度模型，并基于半無(wú)限大平板假設(shè)和穩(wěn)態(tài)溫度計(jì)算模型將瞬態(tài)溫度模型轉(zhuǎn)換為瞬態(tài)溫度響應(yīng)模型；
31、瞬態(tài)溫度和應(yīng)力計(jì)算模塊，用于對(duì)瞬態(tài)溫度響應(yīng)模型和瞬態(tài)應(yīng)力計(jì)算模型中的待定系數(shù)進(jìn)行非線性擬合，并利用非線性擬合得到的兩個(gè)模型分別計(jì)算關(guān)鍵構(gòu)件的瞬態(tài)溫度和瞬態(tài)應(yīng)力。
32、另外，本發(fā)明還提供一種電子設(shè)備，包括處理器和存儲(chǔ)器，所述存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述處理器通過(guò)調(diào)用所述存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的所述計(jì)算機(jī)程序，用于執(zhí)行如上所述的方法的步驟。
33、另外，本發(fā)明還提供一種計(jì)算機(jī)可讀取的存儲(chǔ)介質(zhì)，用于存儲(chǔ)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行快速計(jì)算的計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)執(zhí)行如上所述的方法的步驟。
34、本發(fā)明具有以下有益效果：
35、本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件的瞬態(tài)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)快速計(jì)算方法通過(guò)少量變量的代數(shù)關(guān)系就可以計(jì)算得到瞬態(tài)溫度和瞬態(tài)應(yīng)力，而現(xiàn)有的三維仿真通常需要通過(guò)有限元法或其他數(shù)值仿真方法進(jìn)行大規(guī)模的計(jì)算，耗費(fèi)大量時(shí)間和計(jì)算資源，尤其在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料非均勻或邊界條件復(fù)雜的情況下，仿真計(jì)算可能更加復(fù)雜，從而大大提高了計(jì)算速度，尤其是對(duì)于需要實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)和控制溫度、應(yīng)力的應(yīng)用場(chǎng)景（如工業(yè)生產(chǎn)線上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)），現(xiàn)有三維仿真的計(jì)算時(shí)間往往難以滿足實(shí)時(shí)需求，而本發(fā)明的快速算法可以在極短時(shí)間內(nèi)完成計(jì)算，易于在嵌入式系統(tǒng)或控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，使得在線分析和實(shí)時(shí)反饋更加便捷；另外，本發(fā)明的快速算法可以在不同參數(shù)（如材料、溫度、外力等）變化下迅速計(jì)算出溫度和應(yīng)力的響應(yīng)，從而進(jìn)行快速的參數(shù)優(yōu)化，這對(duì)于設(shè)計(jì)階段、材料選擇以及工藝調(diào)整等過(guò)程有顯著的幫助，而三維仿真在參數(shù)優(yōu)化過(guò)程中需要多次重新仿真，計(jì)算量極大，不適合進(jìn)行頻繁的參數(shù)調(diào)整；另外，現(xiàn)有的三維仿真往往需要詳細(xì)描述材料屬性、幾何形狀、邊界條件等，建模過(guò)程繁瑣且耗時(shí)，特別是在結(jié)構(gòu)復(fù)雜或者涉及多物理場(chǎng)耦合的情況下，而本發(fā)明的快速計(jì)算模型的待定數(shù)通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)擬合獲得，不依賴于精確的幾何或邊界條件描述，使得建模過(guò)程大大簡(jiǎn)化；另外，三維仿真通常會(huì)生成大量的網(wǎng)格數(shù)據(jù)和結(jié)果文件，導(dǎo)致較高的存儲(chǔ)和傳輸成本，相較之下，本發(fā)明的快速算法只需少量系數(shù)和公式，數(shù)據(jù)量極小，適合在網(wǎng)絡(luò)傳輸或嵌入式設(shè)備上使用，大幅減少存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膲毫Α?/p>
36、另外，本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件的瞬態(tài)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)快速計(jì)算系統(tǒng)同樣具有上述優(yōu)點(diǎn)。
37、除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。下面將參照?qǐng)D，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。