飞机发动机零部件结构完整性的概率R6评定

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飞机发动机零部件结构完整性的概率评定武淮生，钟群鹏（北京航空航天大学材料科学与工程系，北京100083）评定方法。结果表明：运用概率r6评定方法不仅能较准确地描述评定对象的结构完整性状态，而且可以定量地分析不同参数对结构完整性的影响，并据此制定出切实可行的结构完整性保障措施。同时针对飞机发动机零部件结构完整性评定中应着重解决的问题阐述了小编的观点。

1飞机发动机零部件的结构完整性飞机发动机是飞机中的关键结构之一。由于其高速、高温、大负荷等工作特性，加之复杂的外场使用环境，使得飞机发动机成为飞机中故障多发性的结构。据对我国现役的涡喷六、涡喷七系列、涡喷十三、涡喷八、涡桨六、涡桨五、涡轴六等类型发动机所作的不完全统计，因结构强度不足导致的发动机故障约占发动机总故障的60～70.而在结构强度故障中，又以疲劳损伤故障为主，约占结构强度故障的70～80从材料学的角度看，结构的疲劳破坏是一个裂纹萌生、亚临界扩展和失稳扩展过程。其中裂纹萌生和亚临界扩展在整个疲劳寿命中所占的比例随具体材料、结构设计和使用条件的不同，有较大的变动范围。飞机结构损伤容限设计方法的应用使上述比例呈不断上升趋势。这就使含缺陷飞机结构的完整性研究成为可能。

由于发动机故障对整个飞机的飞行安全影响重大，所以一旦出现发动机故障，便采取多项紧急的综合排故措施：如对与故障飞机同批次的在役飞机，要求全部返厂检修对与故障飞机不同批次的在役飞机，要求进行抽样返厂检修对新机进行整改和对大修机加强质量控制等。从取得的成效上看，上述排故措施在花费大量的人力、物力、财力和时间的同时，并未取得理想的提高飞机发动机零部件结构完整性的效果。尽管造成这一被动局面的原因是多方面的，但从结构完整性的角度看，缺乏对发动机零部件结构完整性状态的准确描述，无法抓住影响结构完整性的主要因素，不能采取及时、经济、有效的结构完整性保障措施，无疑是问题的关键之所在。

2结构完整性的评定原理和方法（ 1）结构完整性评定原理结构完整性是在保证安全的前提下，评定对象能否满足原设计功效的一种度量指标。一个完整的结构必须保证在设计寿命或规定的检验周期内的任一时刻t，结航空学报构的广义实际（ real）载荷e（t ）始终小于结构的广义实际（ real）强度s即e但由于许多不确定因素的影响使得实际评定时难以准确地获得所需的e（t ） ，因此常采用简化的方法从偏保守的方向对e和进行估算，并利用下式进行结构完整性评定式中： e所用的广义结构载荷和广义结构强度。

式（ 1）所表示的即是结构完整性的评定原理：即评定用的广义结构载荷必须小于评定用的广义结构强度e（t ）评定用的广义结构载荷必须大于等于实际的广义结构载荷e评定用的广义结构强度必须小于等于实际的广义结构强度（ 2）确定性评定方法如图1（ a）所示，在应用确定性评定方法进行结构完整性评定时，将结构的广义实际载荷和广义实际强度均视为确定性评定用广义结构载荷和评定用广义结构强度，通过比较e与对结构的完整性进行评定。

（t ）的描述（ a）确定性评定方法 （ b）概率性评定方法现行的结构完整性评定规程大多是以确定性评定方法为基础的。如美国机械工程师学会锅炉法、美国电力研究院发表的含缺陷核压力容器和管道完整性评定步骤研究报告、英国标准学会出版发行的焊接结构中缺陷评定方法指南、英国中央电力局发表的含缺陷结构的完整性评定（简称r6方法）、我国的cv da等。

（ 3）概率性评定方法如图1（ b）所示，概率性评定方法是指在进行结构完整性评定时，以反映结构真实情况为原则，分析影响结构完整性参数的数值特性（确定性或随机性） ，确定e的分布规律，再利用下式计算评定对象的失效概率式中：右端的p （ s小于等于e的概率。

在将工作应力e、裂纹深度a、裂纹形状参数裂纹短长轴之比）、断裂韧性k和材料流变应力e等结构完整性评定参量作为随机变量处理时，失效概率p的计算公式如下式中： f）为随机变量x的概率密度函数 a和t分别表示临界裂纹尺寸和结构厚度。

由此可见，除极简单的情形外，通常都必须进行复杂的数值计算才能确定评定对象的失效概率。

3概率r6结构完整性评定方法概率结构完整性评定方法的提出利用原理进行结构完整性的概率评定提供了一条新的途径。

3. 1失效概率的计算（ 1）结构强度的确定虽然可以对r6中描述结构强度的失效评定曲线（ failure assessment进行一定的随机化处理，但考虑到r6方法中fac曲线的制作过程（特别是常用的选择一通用fac曲线）和其本身所具有的保守性，在进行概率r6结构完整性评定时常采用某一特定的曲线来表征评定对象的结构强度。

（ 2）结构载荷的确定随机性参数的引入使增刊武淮生等：飞机发动机零部件结构完整性的概率r6评定得原确定性r6方法中用于描述结构载荷的单一评定点变为概率方法中的散布评定点，如图2所示。

（ a）确定性r6：单一评定点（ b）概率性r6：散布评定点（ 3）失效概率的计算根据各散布评定点所对应的载荷保留系数l，经过适当的数学处理可确定描述f分布特性的概率密度函数f （ f）。对该密度函数在区段（ 0， 1）进行积分便可以获得评定对象的失效概率p此失效概率便反映了评定对象的结构完整性状态。为与人们的思维习惯相一致，可以将结构的完整性以上述失效概率的负常用对数表示，即lg） ，并将此数值命名为结构完整性指标siv该数值越大则表明结构的完整性越高（或称越安全）反之则表明结构的完整性越低（或称越不安全）。

3. 2参数敏感性因子的计算为评价不同参数对结构完整性的影响程度，概率r6评定方法采用了如下式所示的参数敏感性因子式中： u为参数在其评定位置的敏感性因为对应与x的结构失效概率 p为参数x在x处的变化概率。

由于式（ 5）所计算的u是以无量纲形式表示的，故可以用来评价不同参数对结构完整性的影响。

4飞机发动机零部件的结构完整性评定（ 1）评定方法的选择在对飞机发动机零部件进行结构完整性评定时，有两类不同性质的问题需要解决：一类是确定评定对象能否继续安全使用另一类为确定有效而经济地提高评定对象结构完整性的措施。

对于第1类问题，通常采用确定性结构完整性评定方法加以解决。这是因为确定性评定方法要求对所有相关参数进行保守处理，即从偏安全的角度取相关参数的上限或下限值。正是由于这种参数的保守处理特征，使得评定用的结构载荷远大于结构的实际载荷，而评定用的结构强度远小于结构的实际强度。因此，如果评定结果表明结构是完整的（或称安全的） ，则实际结构破坏的可能性几乎为零而如果评定结果表明结构是不完整的（或称不安全的） ，实际结构仍有安全运行的可能性。即确定性评定结果所给出的肯定结论（结构是完整的）是可靠的，而否定结论（结构是不完整的）则是不可靠的。

对第2类问题则通常采用概率性评定方法加以解决。由于概率性评定方法是以能真实反映结构实际载荷和实际强度为主同时兼顾保守性要求为原则进行有关参量的随机化处理，所以概率性评定方法得出的评定结论能比较真实地反映评定对象的结构完整性状态。同时由于概率性评定方法中的敏感性分析以相关参数的均值或中位值作为参照点，因此其分析结果反映的是结构参数实际可能的变化对结构完整性的影响。这就为管理和决策部门制定有效而经济的提高评定对象结构完整性的措施提供了技术保障。

（ 2）待解决的问题在进行飞机发动机零部件的结构完整性评定时，必须对评定对象的材料性能参数、缺陷参数和载荷参数等进行定量描述。

以发动机中的压气机轮盘为例，其材料性能参数不仅取决于材料化学成分及其波动范围、夹杂物含量、分布、大小、锻造工艺、热处理工艺和机械加航空学报工工艺等因素，而且与使用中的载荷、温度和环境因素有关缺陷参数除与使用中的载荷和环境因素有关外，还与材料性能参数有关而载荷参数则与使用工况和结构尺寸有关。由此可见，只有在掌握评定对象性能参数的分布特性和退化规律、载荷波动特性、裂纹扩展速率的定量描述等数据的基础上，才能利用概率r6结构完整性评定方法较准确地确定评定对象的结构完整性状态，并对影响结构完整性状态的各参数进行定量分析，以制定出有效而经济的保障和提高结构完整性的措施。

5结论（ 1）飞机发动机零部件的结构完整性是急待解决的问题之一。

（ 2）应用确定性评定方法可以达到保证评定对象安全使用的目的。

（ 3）概率r6评定方法能较准确地反映评定对象的结构完整性状态，从而在保障安全性的条件下使评定对象的功能得到正常的发挥。

（ 4）概率r6参数敏感性分析结果反映了结构参数实际可能的变化对结构完整性的影响，可以为管理和决策部门制定有效而经济的提高评定对象结构完整性的措施提供技术保障。

（ 5）对飞机发动机零部件进行概率r6结构完整性评定，必须对评定对象性能参数的分布特性和退化规律、载荷波动特性、裂纹扩展速率等参数进行定量描述。

天大学出版社， 1993. 1～2.

北京航空航天大学， 1996.

[11]武淮生，钟群鹏。含缺陷结构的完整性评定[ j].核科学与武淮生男， 38岁，副教授。主要从事机械装备的失效分析和结构完整性研究。联系电增刊武淮生等：飞机发动机零部件结构完整性的概率r6评定

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