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.     

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。     

TC4钛合金外物损伤疲劳极限及预测研究

为研究外物损伤对航空发动机TC4叶片高周疲劳极限的影响，以模拟叶片为研究对象，采用空气炮法，预制不同工况下钢球冲击模拟叶片前缘外物损伤，为获得损伤叶片的疲劳极限，对损伤叶片开展了高周疲劳试验，在此基础上，通过有限元仿真探究了缺口残余应力分布对疲劳裂纹的萌生以及疲劳极限的影响，最后通过修正Peterson公式对叶片疲劳极限进行预测研究。结果表明，冲击所造成的缺口尺寸随冲击能量的增大而增大；叶片的高周疲劳极限随冲击能量增大而降低，其中缺口深度对疲劳极限的影响较大；缺口底部残余拉应力可能对叶片疲劳极限有一定影响；Peterson公式对疲劳极限进行预测所得结果误差较大，修正后预测结果误差从-30%～30%降至-15%～15%。     

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。     

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。      

状态方程对叶片外物损伤数值模拟结果的影响

分别采用Bammann粘塑性本构模型和修正Zerilli-Armstrong本构模型在LS-DYNA软件中对钢珠冲击TC4钛合金平板试件的冲击损伤过程进行了数值模拟。通过对修正Zerilli-Armstrong本构模型选择线性多项式状态方程和Gruneisen状态方程,研究了状态方程在发动机叶片FOD数值模拟中的作用。通过对比分析钢珠在不同速度下冲击TC4试件产生的弹坑外貌、尺寸以及残余应力分布,结果表明,是否使用状态方程来描述叶片材料在冲击载荷下的体积压缩或膨胀行为,对FOD数值模拟结果的影响很小。在发动机叶片的FOD数值模拟中,材料本构模型的选择和评估更为重要。     

FOD 对TC4 合金扩散焊板材HCF 性能影响

针对外物损伤(FOD)对航空发动机宽弦空心风扇叶片高循环疲劳(HCF)性能的影响,以TC4合金3层扩散焊板件模拟宽弦空心风扇叶片典型冲击部位,采用空气炮法对TC4合金3层扩散焊板进行FOD模拟试验,对冲击角度为25°、40°和80°时的损伤状况进行了宏微观测量;采用逐级加载法对FOD后的扩散焊焊板进行HCF强度试验,获得各条件下扩散焊板件的条件疲劳极限。结果表明:在各冲击条件下,冲击角度为25°时对材料造成的损伤最严重,HCF强度降低幅度最大;FOD不仅会造成材料表面损伤,还会对内部焊缝层造成损伤。在上述因素共同作用下,扩散焊板件FOD后HCF强度显著降低,相应的疲劳缺口系数明显增大。     

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。     

不同金属硬物冲击航空发动机叶片损伤研究

为分析不同金属硬物对航空发动机风扇叶片造成的外物损伤特征差异,选取钢、铜、铝、铅四种材料弹珠作为外来物,以两种角度、多种速度冲击真实叶片进气边缘进行高速弹道冲击试验,并采用数值方法仿真动态损伤过程。结果表明:钢、铜珠冲击时,叶片损伤形貌可分为凹坑、撕裂和缺口,产生撕裂形貌时,小角度相比于大角度冲击需要更高的冲击速度,铜珠相比于钢珠冲击需要更高的速度;铝、铅珠因冲击时自身变形较大,对叶片只能造成挤压变形。仿真结果表明:在22 J冲击能量条件下,铜珠、钢珠造成叶片撕裂损伤的过程中存在两个显著的接触力峰值,且伴随着“动能回升”现象;铜珠动能较多地转化为叶片和自身的应变能,因而对叶片的侵彻能力不如钢珠;铝珠冲击力峰值最大,其动能转化为自身应变能的比例最高;铅珠冲击力峰值不明显,其动能大部分转化为摩擦耗散的热量。     

激光冲击强化提高外物打伤钛合金模拟叶片高周疲劳性能

为指导钛合金叶片抗外物打伤激光冲击强化工艺设计,根据真实叶片叶型特征设计了刃口型模拟叶片,采用两种激光冲击强化工艺对模拟叶片进行预处理,并采用空气炮系统进行外物打伤模拟试验,最后通过疲劳试验和应力场预测进行疲劳性能影响规律及机理分析。试验结果表明:模拟叶片外物打伤后疲劳强度由51845 MPa降为29072 MPa,而激光能量为5 J和7 J强化工艺下疲劳强度分别提升至34449、37493 MPa。激光冲击引入高数值残余压应力场,大大改善了外物打伤区域的局部应力场分布,在显著提高外物打伤模拟叶片疲劳强度的同时,可承受更大的应力集中,也增大了疲劳缺口系数偏差。两种强化工艺中激光能量越大,产生的残余压应力场数值和深度越大,更加有效地降低裂纹扩展过程中的等效应力强度因子幅值,外物打伤模拟叶片疲劳强度和疲劳缺口系数偏差提高程度越大。      

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.      

旋转离心应力对叶片鸟撞响应的影响

为避免航空发动机叶片在高速旋转工作状态时经常会发生外物损伤造成的严重事故,基于冲击动力学理论,建立了离心预应力作用下叶片外物撞击的非线性动力学模型,利用碰撞动力分析软件PAM-CRASH及其丰富的材料本构模型数据库,建立了旋转叶片受鸟体撞击的有限元分析模型,并在其环境下通过隐式静力求解来进行旋转状态下叶片的预应力分析,对不同离心栽荷下叶片鸟撞击进行数值模拟比较。结果表明,离心应力对叶片的瞬态响应及损伤特征有较大的影响,并获得了不同离心预载作用下外物损伤的一些规律。     

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。      

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。      

双重失效模式下民用航空发动机高压涡轮叶片报废特性与可靠性分析

基于某型民用航空发动机下发后观测涡轮叶片报废状态的双重失效模式,计算了高压涡轮(HPT)叶片由自新使用循环数(CSN)引起的报废率.并结合疲劳损伤累积理论,探究了叶片报废率与失效分布函数之间的关系,得到了涡轮叶片失效分布与寿命期望的计算方法.基于大量涡轮叶片的观测数据,拟合出涡轮叶片按CSN计的失效分布,研究发现:某型...     

SiC/SiC复合材料涡轮叶片结构设计及静强度评价

以高温合金低压涡轮叶片为原型，研究了采用SiC/SiC复合材料进行该型涡轮叶片结构设计的可行性。完成了SiC/SiC叶片的宏观设计、榫头设计和细节设计。计算分析了金属和复合材料涡轮叶片的变形和应力特点。对按设计制备的SiC/SiC叶片开展了拉伸强度测试，并在试验中监测了叶片的应变。计算结果表明：SiC/SiC叶片在额定状态下的伸长量低于原金属叶片；叶身叶根与缘板过渡处应力水平最高，但低于SiC/SiC复合材料的拉伸强度；榫头榫颈处有发生局部剪切破坏的风险。试验结果表明：该SiC/SiC叶片的断裂明显呈现出拉伸失效模式，以断裂转速计算的静强度储备系数约为1.3；所采用的SiC/SiC叶片结构设计方法可行，所制备的复合材料叶片也顺利通过了实验室条件下的静强度考核。     

模拟打伤/抛修缺口对TC17钛合金叶片振动疲劳性能的影响

研究了无缺口、打伤缺口和3种抛修缺口对TC17钛合金叶片振动疲劳性能的影响。结果表明,无缺口模拟叶片的疲劳寿命最长且寿命分散性最小,打伤缺口模拟叶片的疲劳寿命最短且寿命分散性最大,3种抛修缺口模拟叶片的疲劳寿命介于前两者之间,其中抛修缺口Ⅰ模拟叶片的疲劳寿命最长。无缺口和抛修缺口模拟叶片的疲劳裂纹均起源于叶片根部,打伤缺口模拟叶片的裂纹产生于缺口底部,与有限元模拟计算的最大应力位置吻合。模拟叶片的疲劳断裂区比较平坦,呈半椭圆形貌,疲劳源区主要位于模拟叶片表面的微小损伤处,疲劳扩展区具有典型的疲劳弧线特征,并呈现沿α/β片状组织界面开裂的特征。