本發(fā)明涉及溫度和應力分析，特別地，涉及一種發(fā)動機關鍵構件的瞬態(tài)溫度場和應力場快速計算方法及系統(tǒng)、電子設備、計算機可讀取的存儲介質。

背景技術：

1、航空發(fā)動機在極端條件下運行時，如高溫、高壓、高轉速和復雜載荷等，渦輪盤、渦輪葉片、燃燒室等關鍵構件常常承受著極高的溫度和應力，這些關鍵構件的性能和可靠性直接影響發(fā)動機的整體效率和壽命，而對于航空發(fā)動機的溫度和應力分析，傳統(tǒng)的數(shù)值計算方法通常耗時較長且計算復雜。

2、而隨著航空技術的發(fā)展，工程應用對分析效率的要求越來越高，特別是在設計、優(yōu)化和故障預測等方面，迫切需要更加高效的快速計算方法來輔助決策。在航空發(fā)動機設計、制造以及維護過程中，預測關鍵構件的溫度場和應力場是關鍵環(huán)節(jié)，隨著發(fā)動機性能要求不斷提高，對其可靠性、安全性和耐久性的要求也愈發(fā)嚴格，溫度和應力的準確計算對于設計優(yōu)化和壽命預測至關重要。例如，隨著國內外民用航空發(fā)動機壽命管理框架趨于成熟，發(fā)動機服役狀態(tài)下關鍵構件的使用壽命消耗評估和剩余壽命預測已經(jīng)成為其中最重要的一環(huán)，常規(guī)情況下發(fā)動機的關鍵構件會相互拆換，將未到限的關鍵構件拆換到其他發(fā)動機上，以便實現(xiàn)關鍵構件利用最大化，因此要求關鍵構件的剩余壽命評估要盡可能準確，并且根據(jù)已有的相關歷史記錄，能夠快速跟蹤計算出當前截止狀態(tài)下的壽命損耗。

3、因此，通過快速計算，可以更快地分析發(fā)動機關鍵部件在各種工況下的溫度分布和應力集中情況，有助于識別潛在的薄弱環(huán)節(jié)或危險部位，從而優(yōu)化設計，提升結構的安全性和可靠性。例如，在發(fā)動機服役期間，通過溫度和應力的快速計算方法可以實時監(jiān)控關鍵構件的工作狀態(tài)，并預測其壽命，這樣能夠提前預防疲勞失效等問題，降低發(fā)動機故障風險，保障飛行安全；另外，隨著航空工業(yè)對發(fā)動機推重比和效率的要求不斷提高，高溫高壓環(huán)境下的溫度和應力快速計算方法能為新型高性能發(fā)動機的研發(fā)提供科學依據(jù)，有助于推動航空動力技術的創(chuàng)新和突破。因此，開發(fā)航空發(fā)動機關鍵構件的溫度和應力快速計算方法可以顯著提升計算效率，使工程師能夠在較短的時間內對關鍵構件進行溫度和應力分析，這對于加快設計迭代、減少開發(fā)周期和成本具有重要意義。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種發(fā)動機關鍵構件的瞬態(tài)溫度場和應力場快速計算方法及系統(tǒng)、電子設備、計算機可讀取的存儲介質，其可以大大提高計算速度、便于進行參數(shù)優(yōu)化、降低了建模復雜度以及降低數(shù)據(jù)存儲和傳輸壓力。

2、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種發(fā)動機關鍵構件的瞬態(tài)溫度場和應力場快速計算方法，包括以下內容：

3、基于相似準則建立關鍵構件的溫度關于進口總溫、進口總壓和轉速的簡單計算模型，以及應力關于進口總溫、進口總壓和轉速的簡單計算模型；

4、分別對溫度和應力的簡單計算模型進行敏感性參數(shù)分析，并根據(jù)敏感性參數(shù)分析結果建立瞬態(tài)應力計算模型和穩(wěn)態(tài)溫度計算模型；

5、基于溫度的簡單計算模型建立關鍵構件在服役條件下的瞬態(tài)溫度模型，并基于半無限大平板假設和穩(wěn)態(tài)溫度計算模型將瞬態(tài)溫度模型轉換為瞬態(tài)溫度響應模型；

6、對瞬態(tài)溫度響應模型和瞬態(tài)應力計算模型中的待定系數(shù)進行非線性擬合，并利用非線性擬合得到的兩個模型分別計算關鍵構件的瞬態(tài)溫度和瞬態(tài)應力。

7、進一步地，所述穩(wěn)態(tài)溫度計算模型的表達式為：

8、;

9、其中，表示穩(wěn)態(tài)溫度， n表示關鍵構件內轉子部件的當前轉速， n0表示關鍵構件內轉子部件的設計轉速，a1和a2表示待定系數(shù)。

10、進一步地，所述瞬態(tài)溫度模型的表達式為：

11、;

12、其中， t表示瞬態(tài)溫度，表示關鍵構件的進口總壓， p0表示標準狀態(tài)下的大氣壓力，表示關鍵構件的進口總溫， t0表示標準狀態(tài)下的大氣溫度， n表示關鍵構件內轉子部件的當前轉速， n0表示關鍵構件內轉子部件的設計轉速， c1、 c2、 c3、 c4和 c5均為待定系數(shù)， δt表示前后兩個時刻的溫差， t表示前后兩個時刻的時間差， k表示調整系數(shù)，由發(fā)動機材料決定， t0表示時間常數(shù)， t0= f（δt， cp， λ)， cp表示定壓比熱容， λ表示導熱系數(shù)。

13、進一步地，所述基于半無限大平板假設和穩(wěn)態(tài)溫度計算模型將瞬態(tài)溫度模型轉換為瞬態(tài)溫度響應模型的過程包括以下內容：

14、基于半無限大平板假設將瞬態(tài)溫度模型視為半無限大平板的非穩(wěn)態(tài)導熱過程，并基于第三類邊界條件和穩(wěn)態(tài)溫度計算模型將瞬態(tài)溫度模型轉換為關鍵構件表面的溫度響應模型，再將溫度響應模型中邊界條件和運行工況的影響通過待定系數(shù)體現(xiàn)并忽略溫度響應模型中位置的影響，以對溫度響應模型進行修正，從而得到關鍵構件的瞬態(tài)溫度響應模型。

15、進一步地，所述瞬態(tài)溫度響應模型的表達式為：

16、;

17、其中，表示時刻的瞬態(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、進一步地，當計算時刻與初始時刻的時間間隔超過預設閾值時，所述瞬態(tài)溫度響應模型的表達式為：

19、;

20、其中，表示瞬態(tài)導熱過程中 t+1時刻的瞬態(tài)溫度，表示瞬態(tài)導熱過程中 t時刻的瞬態(tài)溫度，c表示待定系數(shù)。

21、進一步地，在瞬態(tài)應力計算模型中，某一方向的瞬態(tài)應力計算公式為：

22、；

23、；

24、；

25、；

26、其中，表示瞬態(tài)應力，、和分別表示瞬態(tài)的離心應力、熱應力和氣動應力，表示關鍵構件的進口總壓， p0表示標準狀態(tài)下的大氣壓力，表示關鍵構件的進口總溫， t0表示標準狀態(tài)下的大氣溫度， n表示關鍵構件內轉子部件的當前轉速， n0表示關鍵構件內轉子部件的設計轉速，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)動機關鍵構件的瞬態(tài)溫度場和應力場快速計算系統(tǒng)，包括：

28、簡單計算模型構建模塊，用于基于相似準則建立關鍵構件的溫度關于進口總溫、進口總壓和轉速的簡單計算模型，以及應力關于進口總溫、進口總壓和轉速的簡單計算模型；

29、敏感性參數(shù)分析模塊，用于分別對溫度和應力的簡單計算模型進行敏感性參數(shù)分析，并根據(jù)敏感性參數(shù)分析結果建立瞬態(tài)應力計算模型和穩(wěn)態(tài)溫度計算模型；

30、瞬態(tài)溫度響應模型構建模塊，用于基于溫度的簡單計算模型建立關鍵構件在服役條件下的瞬態(tài)溫度模型，并基于半無限大平板假設和穩(wěn)態(tài)溫度計算模型將瞬態(tài)溫度模型轉換為瞬態(tài)溫度響應模型；

31、瞬態(tài)溫度和應力計算模塊，用于對瞬態(tài)溫度響應模型和瞬態(tài)應力計算模型中的待定系數(shù)進行非線性擬合，并利用非線性擬合得到的兩個模型分別計算關鍵構件的瞬態(tài)溫度和瞬態(tài)應力。

32、另外，本發(fā)明還提供一種電子設備，包括處理器和存儲器，所述存儲器中存儲有計算機程序，所述處理器通過調用所述存儲器中存儲的所述計算機程序，用于執(zhí)行如上所述的方法的步驟。

33、另外，本發(fā)明還提供一種計算機可讀取的存儲介質，用于存儲對航空發(fā)動機關鍵構件的溫度場和應力場進行快速計算的計算機程序，所述計算機程序在計算機上運行時執(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)動機關鍵構件的瞬態(tài)溫度場和應力場快速計算方法通過少量變量的代數(shù)關系就可以計算得到瞬態(tài)溫度和瞬態(tài)應力，而現(xiàn)有的三維仿真通常需要通過有限元法或其他數(shù)值仿真方法進行大規(guī)模的計算，耗費大量時間和計算資源，尤其在結構復雜、材料非均勻或邊界條件復雜的情況下，仿真計算可能更加復雜，從而大大提高了計算速度，尤其是對于需要實時預測和控制溫度、應力的應用場景（如工業(yè)生產(chǎn)線上實時監(jiān)測），現(xiàn)有三維仿真的計算時間往往難以滿足實時需求，而本發(fā)明的快速算法可以在極短時間內完成計算，易于在嵌入式系統(tǒng)或控制系統(tǒng)中實現(xiàn)，使得在線分析和實時反饋更加便捷；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）變化下迅速計算出溫度和應力的響應，從而進行快速的參數(shù)優(yōu)化，這對于設計階段、材料選擇以及工藝調整等過程有顯著的幫助，而三維仿真在參數(shù)優(yōu)化過程中需要多次重新仿真，計算量極大，不適合進行頻繁的參數(shù)調整；另外，現(xiàn)有的三維仿真往往需要詳細描述材料屬性、幾何形狀、邊界條件等，建模過程繁瑣且耗時，特別是在結構復雜或者涉及多物理場耦合的情況下，而本發(fā)明的快速計算模型的待定數(shù)通過對歷史數(shù)據(jù)擬合獲得，不依賴于精確的幾何或邊界條件描述，使得建模過程大大簡化；另外，三維仿真通常會生成大量的網(wǎng)格數(shù)據(jù)和結果文件，導致較高的存儲和傳輸成本，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)絡傳輸或嵌入式設備上使用，大幅減少存儲空間和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膲毫Α?/p>

36、另外，本發(fā)明的發(fā)動機關鍵構件的瞬態(tài)溫度場和應力場快速計算系統(tǒng)同樣具有上述優(yōu)點。

37、除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點。下面將參照圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明。