外物损伤对不锈钢模拟叶片疲劳强度的影响研究

本文开展了1Cr15Ni4Mo3N不锈钢模拟真实前缘叶片的外物损伤(FOD)与高周疲劳(HCF)试验,旨在研究不锈钢叶片在承受外物损伤后的剩余疲劳强度。使用空气炮法对模拟叶片进行了FOD试验,结果表明损伤主要可分为半圆型、V型和撕裂型三类,且损伤深度随着钢珠直径、入射速度的增大而增大。基于步进法开展了FOD试样的HCF试验,试验结果表明FOD试样的振幅疲劳强度下降了70%以上,且随着损伤深度、入射速度的上升表现出明显的下降趋势。不同缺口类型之间存在差异,半圆型缺口疲劳强度较高,V型缺口稍低,撕裂型缺口最低。使用SEM观测了FOD缺口及断口微观特征,疲劳裂纹源区均位于缺口根部表面附近,说明高速冲击造成的材料丢失、剪切带与剪切韧窝等微观特征促使了疲劳裂纹的萌生。     

凹坑型硬物损伤对TC4材料疲劳强度的影响

针对风扇/压气机叶片中叶盆/叶背遭受的硬物损伤(FOD)凹坑型损伤,进行了不同冲击角度下模拟FOD试验、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研究和疲劳强度的预测。结果表明:损伤深度和应力集中系数均随着冲击角度的增加而变大,损伤深度范围为0.1~0.5mm,应力集中系数范围为1.3~1.7。不同冲击角度条件下,凹坑型损伤试样疲劳强度相对光滑试样下降程度在50%~70%范围内,与应力集中系数并不是呈单调下降关系,最危险冲击角为60°。去残余应力退火后凹坑型损伤试样的高循环疲劳（HCF）性能有所提高,表明残余应力的影响程度不容忽略。去残余应力试样的HCF性能并不是随应力集中系数的增大而下降,验证了微结构损伤的影响,说明损伤深度作为制定可用极限或维修极限的唯一参量具有一定的局限性。对凹坑型损伤试样的疲劳强度的预测误差在±20%以内。      

叶片外物损伤容限设计的本质特点及设计准则的发展

通过对风扇/压气机叶片外物损伤及其失效特点的深入分析,认为叶片外物损伤容限设计的本质是考虑外物损伤影响的叶片振动应力设计.通过对国内外发动机设计规范和标准的分析和回顾,将外物损伤容限设计准则的发展分为3个阶段:①50年代初-60年代末,以外物损伤(FOD)的预防和维护为主;②70年代初-90年代末,等效为应力集中系数K_t≤3的缺口容限设计;③2000年以来,FOD的概率容限设计.最后对我国外物损伤容限设计的研究方向提出了建议.      

钛合金叶片前缘的外物损伤残余应力数值分析

为研究航空发动机叶片外物损伤(FOD)位置残余应力的分布规律,根据真实叶片前缘特征设计了模拟叶片,基于Johnson-Cook本构模型,使用LS-DYNA软件仿真分析钢珠以不同角度冲击钛合金模拟叶片前缘的过程,对比仿真与相同试验条件下的空气炮模拟外物损伤试验的FOD损伤形貌与宏观尺寸,验证了有限元模型的正确性。提取仿真计算的不同入射角度对应的FOD位置残余应力分布,结果表明:钢珠以0°角入射时,钢珠冲击产生的接触力和变形能明显大于其他入射角度的情况,说明钢珠偏斜一定角度入射时造成的偏斜型缺口处的材料失效与变形不如外物正撞前缘形成的半圆型缺口严重;在FOD缺口底部尖端靠近入射表面区域存在明显的残余拉应力。随着入射角度的增大,残余拉应力区的范围逐渐扩大,残余拉应力最大值逐渐减小。     

前缘半径对钛合金叶片抗外物损伤能力影响的数值分析

为分析航空发动机压气机叶片前缘半径的选取对其抗外物损伤(FOD)能力的影响,对TC4合金制成的转子叶片的外物损伤过程进行了数值模拟研究.结果表明:增大叶片前缘半径可以提高叶片抗外物损伤的能力,不同撞击速度或撞击角度下前缘半径对抗FOD的影响程度不同.叶片前缘半径对残余应力大小和分布范围大小的影响较大,对残余应力分布的趋势影响不大.     

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。      

外物损伤对压气机叶片高周疲劳强度的影响研究进展

针对外物损伤（FOD）对压气机叶片高周疲劳（HCF）强度的影响特点及其规律,总结了国内外研究现状及预期发展趋势。从FOD特征对压气机叶片HCF强度的影响、残余应力以及激光强化对HCF强度的影响、FOD叶片数值模拟以及FOD叶片寿命模型等方面,对现有研究成果进行综述。分析表明：FOD从多方面影响着压气机叶片的HCF强度,并有着一定的规律性,如：60°是较为危险的一种冲击角度,随着外物冲击损伤深度的增加会降低叶片的强度,残余拉应力的产生可以提高叶片疲劳强度,适当的表面处理同样可以提高叶片的强度。现有的FOD对压气机叶片HCF强度研究存在以下问题：试验有待进一步改进,理论模型有待深入研究,残余应力对叶片HCF强度的影响规律尚不统一等。     

外物损伤压气机叶片损伤容限分析

为研究外物损伤造成的初始裂纹对压气机叶片疲劳寿命的影响,开发了基于ANSYS平台的三维平片裂纹扩展整体参数化自动模拟通用技术。通过应力强度因子计算结果与文献结果对比,证明所开发裂纹扩展模型有较好的精度。利用该模型,研究了外物损伤初始裂纹位置、形态和方向对压气机叶片低周疲劳寿命的影响。研究表明,叶片后缘疲劳裂纹扩展寿命最长;裂纹短/长轴比越大,疲劳裂纹扩展寿命越长;当初始裂纹面垂直于最大主应力方向时,疲劳裂纹扩展寿命最短。     

外物损伤对不锈钢疲劳强度的影响

基于空气炮法,针对不锈钢平板试样开展了外物损伤（FOD）模拟试验,使用三维体式显微镜观测了损伤的宏观特征,并用扫描电子显微镜观测了损伤的微观特征,模拟外物损伤具有挤压变形、材料的剪切丢失、塑性变形等宏观特征和微小裂纹、塑性变形、微小缺口、片层结构等微观特征.采用步进法对FOD试样进行了高周疲劳试验,试验结果表明FOD使试样的疲劳强度相对未损伤试样下降超过14%,并且随损伤尺寸的增大,试样的疲劳强度基本呈降低的趋势.疲劳源区多为损伤处的微小缺口或微小裂纹,说明FOD为疲劳裂纹的萌生和扩展提供了有利条件.      

叶片外物损伤的实验模拟及其疲劳强度的研究

研究了空气炮法模拟外物损伤叶片的可行性,分析了外物损伤对模拟叶片疲劳强度的影响规律。用空气炮发射以300m/s左右速度发射直径1~4mm的钢珠,冲击模拟叶片,空气炮法在发射速度控制和撞击缺口深度方面具有较强的可控性及可重复性。采用光学和扫描电子显微镜对外物损伤的宏观和微观特征进行了观察,冲击损伤处具有材料丢失、塑性变形、剪切撕裂、应力集中、微裂纹、空穴结构和材料的折叠等特征。采用步进法对部分外物损伤模拟叶片进行了高周疲劳强度测试,试验结果比较分散,且冲击损伤引起的高周疲劳强度下降不随缺口深度的增加而单调变化,表明物损伤模拟叶片的疲劳强度是受缺口的宏观特征、微观特征等综合因素的影响。     

航空发动机叶片外物损伤研究现状

 全面地介绍了航空发动机叶片外物损伤研究的现状。叶片鸟撞击损伤是一种软物损伤。从鸟撞击叶片过程的理论研究、计算研究和试验研究三个方面进行了详细地介绍。叶片冰撞击损伤既可能是软物损伤又可能是硬物损伤。叶片冰损伤的研究文献较少，对此进行了简要地介绍。叶片硬物损伤包括金属块、石块和冰块三种形式。对叶片硬物损伤研究的各个方面，包括叶片硬物损伤的形成、叶片硬物损伤后的疲劳强度、叶片由于硬物损伤而产生微裂纹和微裂纹增长等，进行了详细地介绍。最后，提出了国内进行叶片外物损伤的研究方向。     

压气机叶片受外物损伤的剩余振动疲劳寿命

采用电磁涡流激振的振动疲劳试验,对TC4材料制成的平板叶片受外物损伤后的剩余振动疲劳寿命进行了研究。结果表明,叶片的外物损伤程度取决于撞击能量E和几何标度S,对于一定的叶片,存在不影响疲劳寿命的极限损伤。对叶片损伤处进行修复和适当减小叶片振动应力水平是提高叶片抗外物损伤能力的的有效途径。通过钢钛叶片试验分析表明,由于设计叶片稳态应力水平通常以抗拉强度为参考基点,那么钢制叶片的疲劳强度的富裕程度相对要高些。      

基于方差分析的航空发动机风扇叶片外物撞击识别

航空发动机工作过程中风扇外物撞击事件的检测与识别对飞机飞行安全至关重要。通过风扇叶片外物撞击试验平台模拟真实发动机受外物撞击的过程,研究风扇外物撞击规律与检测识别方法。针对航空发动机的机载参数和加装振动参数对风扇外物撞击事件识别难度高与识别准确率低的问题,开展了基于非接触风扇叶片叶尖振动测量的外物撞击检测试验,提出了基于非接触叶尖振动位移方差威布尔分布函数极大似然估计与自动门限检测系统的风扇叶片外物撞击自动门限识别方法,并获取了风扇转子不同转速下外物撞击叶尖振动位移方差识别门限值。选取风扇转子转速为3 000 r/min状态下,直径为16 mm、质量为2.9 g的外物弹体撞击风扇叶片的振动位移数据进行分析,并采用高速摄像系统对该方法识别结果的可靠性进行验证,结果表明：基于非接触叶尖振动位移方差分析法能够准确识别风扇叶片外物撞击事件、撞击叶片编号与撞击叶片数。     

航空发动机风扇叶片硬物冲击损伤特征

通过对国内近20年民用航空发动机风扇叶片外物损伤数据调研与统计分析，筛选最具典型特征的硬物冲击损伤数据，依据发动机维修手册对风扇叶片损伤类型特征进行了分类，研究损伤类型与发动机类型的相关性和差异性、损伤发生位置特征、损伤尺寸特征等内容.分析结果表明:发动机风扇叶片硬物冲击损伤类型表现出多样化特征，其中缺口和凹坑两类损伤类型发生概率较大，而且不同损伤类型在特定发动机型号中又存在一定的差异性.通过对损伤位置与尺寸特征的分析，表明风扇叶片的损伤位置存在一定的集簇统计规律，缺口的损伤尺寸特性存在一定的统计分布规律.研究结果能够为航空发动机风扇叶片实际的维护维修工作提供相关技术参考.      

外来物损伤对叶片疲劳寿命的影响

 本文对进气边遭受外来物损伤的叶片的疲劳寿命进行了试验研究。首先对叶片进气边分区进行了模拟外来物损伤试验,并对外伤叶片和损伤后的修理叶片分别进行了疲劳试验。根据对比试验原理,分析了外来物损伤对叶片疲劳寿命的影响,提出了损伤叶片的允修范围。     

基于统计特征的航空发动机风扇外物撞击检测

为了检测识别航空发动机工作过程中的风扇外物撞击事件,采用非接触叶尖振动测量系统对风扇叶片叶尖振动位移进行实时采集与检测。通过风扇叶片非接触叶尖振动位移数据统计分析,发现叶尖振动位移服从正态分布,并采用Epps-Pulley假设检验证明。设计了基于统计特征的风扇叶片外物撞击叶尖振动位移检测算法,采用该方法获取了风扇转子不同转速下外物撞击叶尖振动位移检测阈值。对风扇转子转速为3000r/min状态下,直径16mm、质量为2.9g的外物弹体撞击风扇叶片的振动位移数据进行分析,并采用高速摄像系统对该方法识别结果的可靠性进行验证。结果表明:基于统计特征的发动机风扇外物撞击检测方法,能够准确识别外物撞击风扇叶片事件及发生撞击的叶片编号。