复合材料桨叶前缘包铁研制及使用现状

直升机在使用中会遭遇砂尘、雷击和结冰等恶劣自然环境,桨叶前缘包铁在桨叶抵御上述环境影响方面发挥了重要作用,是复合材料桨叶重要的组成部分。在对复合材料桨叶砂尘、雷击和结冰环境使用需求分析的基础上,对前缘包铁的设计从选材、弦向尺寸、展向尺寸、厚度和强度分析等方面进行了阐述;前缘包铁生产制造方面,对机械冲压制造和电铸两种生产方式进行了介绍;在前缘包铁维护方面,对视情清洗、定期目视检查、无损检测和故障修理进行了说明;最后结合海洋环境防腐、故障在线监测和超疏水技术等在前缘包铁上的应用提出了一些想法以供探讨。     

三种典型发动机用材料疲劳极限应力集中敏感性及喷丸的影响

针对发动机用C250钢、TA29钛合金和FGH96粉末合金,开展应力集中系数K_t=1和K_t=1.7条件下疲劳曲线研究,并研究喷丸对应力集中条件下疲劳极限的影响。结果表明:当应力集中系数由K_t=1提高到K_t=1.7时,C250钢、TA29钛合金和FGH96粉末合金的107周次疲劳极限分别从757 MPa,366 MPa和566 MPa降低到526 MPa,240 MPa和465 MPa,说明上述三个高强度合金都存在明显的疲劳极限应力集中敏感性;喷丸强化后,K_t=1.7条件下的疲劳极限提高至597 MPa,297 MPa和530 MPa,说明喷丸有助于从工艺角度缓和高强度合金的疲劳极限应力集中敏感性;随着应力集中系数增加,TA29钛合金和FGH96粉末合金的10~5周次和10~7周次对应疲劳强度差也随之减小,喷丸处理能够使疲劳性能数据的分散性有所降低。     

基于双参数寿命模型的抗疲劳制造结果参量分析方法

为评估抗疲劳主要参量对S-N曲线的作用规律,采用双参数疲劳寿命模型作为分析基础,引入材料本征S-N曲线概念,将制造参量转化为制造结果参量系数,在从理论模型角度系统分析各个参量对寿命曲线的作用规律的基础上,进一步对实验获得的高温合金GH4169在成型机加工、表面完整性机加工和表面高能强化三种制造工艺下的疲劳S-N数据进行疲劳抗力系数M_f和理论疲劳极限S_c对应力集中系数K_t的敏感性进行分析。结果表明:高能强化可显著提高光滑试样和缺口试样的疲劳性能;对于光滑构件或低应力集中系数的构件,高能强化对疲劳性能的提高主要表现在提高了疲劳抗力系数;而对于高应力集中系数的构件,高能强化对疲劳性能的提高主要表现在提高了理论疲劳极限;此外,利用结果参量系数分析S-N曲线的方法,对于理解抗疲劳制造机理具有重要参考价值。     

FOD缺口型损伤对TC4疲劳极限强度的影响

针对TC4钛合金风扇/压气机叶片前缘常遭受的外物损伤(FOD)缺口型损伤,进行了不同冲击角度下高速弹道冲击试验研究、损伤特征与应力集中分析,开展了冲击后不处理和冲击后去残余应力退火试样的高循环疲劳试验和疲劳极限强度预测。结果表明:随着冲击角度的增大入射侧损伤尺寸和应力集中系数基本保持不变,出射侧缺口损伤深度和损伤长度减小。损伤深度范围为0.6~1.5mm,应力集中系数范围为2.6~3.4。缺口型损伤试样的疲劳极限强度下降为光滑试样的27%~53%,与应力集中系数并不是呈反比关系。退火试样的高循环疲劳(HCF)性能或略微下降或基本不变,表明残余应力影响较小,残余应力对疲劳极限强度的影响程度不足光滑试样的10%。缺口型损伤试样的HCF性能与损伤底部半径的相关性不明显,随着最大损伤深度和损伤长度的增加而下降,表明制定维修手册时应着重考虑缺口型损伤的最大深度和损伤长度。Peterson经验公式对HCF性能的预测精度不理想,误差最大为45%,需要发展高精度的FOD缺口型损伤构件HCF性能预测方法。      

直升机桨叶静强度分析中的一个新方法

在直升机桨叶的静强度分析中,传统的分析方法可能会由于载荷计算的不准确,给强度结论带来不确定性。比如,直升机在飞行过程中,若桨叶的动载荷大于计算载荷,这时候就无法判断桨叶是否满足静强度要求。若采用本文中推荐的新方法进行分析,就容易对桨叶的静强度下结论。     

基于FEM-NN-MCS模拟应力集中系数的结构可靠性分析

在机械结构可靠性分析中,由于应力集中系数的预测精度直接影响可靠性分析与计算结果,可见应力集中系数(SCF)是最主要的参数之一。采用理论方法通常很难获得应力集中系数,因此目前主要采用实验方法。采用实验方法尽管可以较精确地获得应力集中系数的数值解,但不能直接给出基本随机变量和应力集中系数之间的关系,为进一步的可靠性分析带来困难。作为可供选择途径,使用有限元法(FEM)获得应力集中系数的数据库,采用神经网络方法模拟应力集中系数,用BP神经网络建立结构的输入和输出关系,在此模型上,将MonteCarlo和可靠性理论相结合,提出了解决应力集中情况下的结构可靠性问题的分析方法。     

喷丸强化的综合效应理论

 对几种钢材进行了喷丸强化,疲劳试验,测定了残余应力场和表面粗糙度。提出了表面粗糙度应力集中系数的计算模型和公式,以及疲劳源萌生于表面时表达疲劳极限规律的修正Goodman方程。根据断口分析和应力计算,提出了材料的内部疲劳极限概念及相应的强化机制。在上述研究基础上,建立了喷丸强化的综合效应理论。     

直升机新型无轴承柔性梁扭转能力试验装置

针对直升机主桨叶和尾桨叶的拉扭承载能力难以通过理论计算获得的难题,研制了一种新型结构拉扭试验装置,详细介绍了该装置的结构原理、标定结果,以及在直升机静强度试验中的应用.     

NH90的特点及其采用的先进技术

一、NH90的一般描述 1.旋翼桨叶翼型为法国航宇公司和法国航空空间研究院研制的QA3族翼型,桨叶呈12％至9％尖削、0.95R外桨尖呈抛物线形。4片复合材料桨叶由泡沫充填的2个玻璃纤维盒形梁的NIDA蜂窝后段件组成。用导电漆复盖的碳和玻璃纤维蒙皮使雷达信号特征最小。桨叶前缘有防腐蚀镍包条并把除冰系统罩在内。NH90复合材     

一种基于螺旋桨部件特性的螺旋桨建模方法

通过缩比法,利用螺旋桨通用部件特性获得期望研究的螺旋桨部件特性,提出了飞行速度不为零条件下的螺旋桨数学模型建模算法,同时,借鉴缩比后螺旋桨部件特性、螺旋桨定桨叶角工作性能曲线以及螺旋桨空气动力学原理,分析了静拉力状态下的螺旋桨功率系数、拉力系数、桨叶角、螺旋桨静态推力进距比阈值以及螺旋桨几何设计参数的相互作用关系,提出了静拉力状态下的螺旋桨数学模型建模算法。所述算法与Gas Turbine Simulation Program (GSP)软件仿真数据进行了数字仿真对比验证。结果表明:所提出的螺旋桨建模算法具有有效性,在前进状态下,螺旋桨拉力相对误差最大不超过6.6059×10-6，需求功率相对误差最大不超过5.5098×10-6，效率相对误差最大不超过6.6955×10-6。      

透平叶片疲劳强度可靠性设计的研究

本文提出了透平叶片疲劳强度的可靠性设计方法。该方法把透平叶片的静应力、动应力和叶片疲劳强度处理为随机变量,使用疲劳应力分布和疲劳强度分布的干涉模型,在设计阶段确定透平叶片的可靠度。文中给出了透平叶片可靠性设计的实例。      

压气机叶片的振动疲劳特性

首次报道了关于采用11CrNi2MoVA材料制造的某型航空发动机压气机第3级叶片振动疲劳特性的研究。结果发现:(1)叶片振动疲劳破坏模式随使用寿命增加而变化。新叶片的破坏位置在叶背最大应力点附近处,而随着使用寿命的增加,叶片破坏位置转向进排气边缘。(2)叶片振动疲劳强度随使用寿命增加而逐渐下降。采用升降法对新叶片、200小时、400小时叶片的实验结果证实了这一点。(3)采用现行方法对叶片的维修有利于叶片疲劳强度的恢复。对使用寿命为400小时的未维修叶片和已完成维修叶片的对比实验表明,维修可使叶片疲劳强度提高,但叶片破坏位置仍在叶片的进排气边缘。      

应力严重系数法在直升机主桨叶寿命评估中的应用

应力严重系数法在定翼机机体寿命计算中已有成功应用，然而对于以高周损伤为主的直升机动部件(如主桨叶)一般均依靠6件全尺寸疲劳试验的方法进行定寿。这不仅需要大量经费，而且也要很长的周期。本文绕开全尺寸疲劳试验这一大的环节，根据相应材料特性数据，采用应力严重系数法对直8型机主桨叶根部接头进行寿命评估。文中给出的方法简单，精度较好，便于工程应用。     

某型直升机尾桨断裂故障分析

明确某型直升机尾桨断裂故障原因，对于该型机的使用、维护有现实意义，对于新机型的安全性提升有借鉴意义。首先通过故障树分析法对某型直升机尾桨叶断裂故障进行分析，得到底事件分析结果；然后开展宏、微观断口分析；最后对柔性梁断口损伤演化开展仿真分析。结果表明：桨叶断裂性质为低应力高周双向弯曲疲劳断裂，当柔性梁纤维压缩方向强度性能值小于700 MPa 时，断口的形式与故障尾桨柔性梁断口类型相似；大载荷状态尾桨会产生较大的振动，振动的增加加剧了尾桨的载荷，导致尾桨柔性梁根部载荷增加，超出柔性梁设计承载能力，桨叶柔性梁根部疲劳断裂。     

叶根倒角模拟件设计

为了避免涡轮叶片叶根倒角低周疲劳开裂故障的发生,需借助叶根倒角特征模拟件对叶根低周疲劳强度进行考核。基于几何等效相似和载荷工况等效原则,设计了一种真实叶根倒角的特征模拟件。特征模拟件的榫头/叶身沿着周向投影宽度比例、缘板外侧与榫头外侧距离、缘板厚度、倒角半径等重要几何参数均与真实叶片一致。基于线弹性本构,采用Abaqus软件计算了特征模拟件在等效载荷工况下的应力分布。计算结果表明,特征模拟件的最大应力为187.6 MPa,出现在凸台过渡区倒角处,最危险点第一主应力方向为l₁=0.1141、m₁=0.9873、n₁=-0.1103,均与真实叶片对应部位的应力情况吻合,说明该叶根倒角特征模拟件设计合理,可用于考核真实涡轮叶片倒角的低周疲劳强度。     

某型发动机高压压气机第6级静子叶片掉角故障分析

针对某型发动机高压压气机第6级静子叶片掉角故障,分别进行了断口分析、强度计算、振动模态试验和整机动应力测试,综合分析结果表明:第6级静子叶片掉角断口均属于高周疲劳;实测第9阶振型的最大相对振动应力区与故障叶片的裂纹起始位置吻合;第9阶自振频率对叶尖附近的弦长、厚度及尾缘R的尺寸微小变化很敏感。采取了增加频率限制、对涂"W"漆前的吹砂工艺进行细化以保护叶片的措施,使得该故障得以排除。     

直升机主桨叶的鸟撞有限元数值模拟

以某型直升机主桨叶为例,使用瞬态动力学分析软件(MSC.Dytran),采用先进的任意拉格朗日-欧拉(ALE)流固耦合算法,进行鸟撞过程的数值模拟.模拟结果表明:撞击过程中的最大应力达到199MPa,没有超出桨叶材料的屈服极限.研究结果为桨叶的抗鸟撞损伤设计提供了参考.      

A lower bound estimate of the critical load for helicopter main rotor composite blade according to the limit equilibrium theory. The basic steps of an algorithm

The basic steps of an algorithm are given for calculating the parameters of the limiting state of a helicopter main rotor blade. To estimate the static strength, a technique of elastic constants variation is used; it is based on the limit equilibrium theory and enables us to obtain the upper and lower bounds for the critical load simultaneously. An iterative technique is proposed to determine the lower bound of the allowable load on the root section of the composite blade depending on the azimuthal angle of its turn in the helicopter hovering mode.     

虑及高循环疲劳的裂纹型外物损伤叶片的可用极限

为了发展一种航空发动机钛合金风扇/压气机叶片外物损伤（FOD）可用极限的确定方法，对典型叶片的可用极限进行了调研，基于裂纹门槛值原理建立了应力比相关的FOD裂纹不扩展等值曲线图，根据TC4钛合金不同应力比下材料的疲劳耐久性极限强度对比了两种裂纹不扩展判据的适用性，通过该方法确定了一种典型风扇叶片撕裂/裂纹型外物损伤的可用极限。结果表明:现有维修手册中对叶片不同区域不同类型FOD的可用极限要求不同，FOD可用极限的主要限制尺寸为损伤深度，深度限制一般在1mm以内。通过裂纹不扩展等值曲线图确定的典型风扇叶片撕裂/裂纹型FOD可用极限分布在0.020~0.525mm内，可用极限沿叶片展向分布可分为三个区域:叶根区可用极限约0.08mm，叶中区可用极限约0.3mm，叶尖区可用极限约0.5mm，越靠近叶根可用极限越小。      

某涡轮叶片热障涂层的寿命预测方法

基于NASA发展的CoatLife软件中推荐的应力 寿命建模方法,研究了某涡轮叶片热障涂层寿命预测方法。通过在寿命模型中引入氧化增质量,并考虑氧化动力学,实现了寿命模型与高温氧化效应的关联。由于寿命模型中的疲劳强度系数是时间和半径的函数,从而可以应用于实际结构中的不同几何形状,并考虑了时间相关的退化效应。计算结果表明,随着最高温度或疲劳强度系数的增加,涂层的循环寿命和时间寿命均会减少。通过对某涡轮叶片在设计温度场下的涂层寿命预测结果表明,循环时间为1h条件下叶片前缘1/2叶高处涂层剥落寿命大约336 h,与实际叶片涂层失效在300~400h之间吻合。