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。      

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。      

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。     

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。     

外物损伤对TC4 钛合金的高周疲劳强度的影响

为了研究外物损伤对航空发动机叶片疲劳性能的影响规律,将直径为3、4 mm的钢珠利用空气炮加速到约300 m/s对TC4合金平板试样进行外物损伤试验,利用3维体式显微镜和扫描电子显微镜(SEM)分别观察外物损伤的宏观特征和微观特征。结果表明:在随后的高周疲劳试验中外物损伤容易诱发疲劳裂纹的萌生,且试样的疲劳强度随损伤深度的增加而降低;疲劳源一般位于损伤区域的表面位置,因为试样在冲击过程中在损伤区域形成了微观裂纹和缺口。     

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.     

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。      

应力比对不锈钢焊接接头疲劳寿命的影响研究

针对0Cr18Ni9不锈钢薄板焊接接头，开展了高周疲劳性能测试，研究了应力比对其疲劳极限和疲劳寿命S-N曲线的影响。结果表明应力比对疲劳寿命有较大的影响，在最大应力一定的情况下，应力比越大其疲劳寿命越大。基于试验结果，得到了反映应力比影响的0Cr18Ni9不锈钢薄板焊接接头Goodman修正和Walker修正的高周疲劳寿命预测模型。模型的预估寿命和试验数据对比表明，Walker修正模型对疲劳寿命的预测结果全部处于1.0倍分散带以内，其更能反映应力比对0Cr18Ni9不锈钢薄板焊接接头疲劳寿命的影响。     

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.      

激光冲击强化对TC17钛合金模拟叶片疲劳极限的影响

通过振动疲劳试验探究了激光冲击强化(LSP)对带根部倒圆的TC17钛合金叶片一阶弯曲疲劳极限的影响,结合疲劳断口、组织观察和残余应力测试等方法分析了激光冲击强化提高叶片疲劳极限的强化机制。结果表明,激光冲击强化对TC17钛合金叶片的一阶弯曲振动频率无影响,但显著提高了叶片的疲劳极限(约8%)。冲击强化后叶片的金相组织无显著变化,但表层晶粒组织明显细化,并在距离材料表面50μm的深度范围内形成剧烈塑性变形区,材料表面产生了不小于466 MPa的残余压应力。晶粒细化和残余压应力是叶片疲劳极限提高的直接原因。     

7050凹槽铝板激光冲击强化残余应力分布与疲劳寿命

激光冲击强化（LSP）是改善结构疲劳性能的重要手段，传统数值模拟方法很难模拟复杂结构的多点冲击强化过程。本文利用一种连续动态冲击方法对7050凹槽铝板进行激光冲击强化数值模拟，得到了冲击后稳定的残余应力场，并与试验测量的残余应力相对比，验证了该方法的精度与较高效率。运用4种基于临界平面法的应变模型，最大正应变模型、最大剪应变模型、BM模型和SWT模型分别对未强化件和强化件进行疲劳寿命预测。完成了激光冲击强化件和未强化件的疲劳试验，得到其疲劳寿命。结果表明：寿命预测值与试验结果吻合较好；对未强化件进行平均应力修正后，前3种模型误差分别为31.2%、22.6%和40.7%，而SWT模型的计算结果过于保守；对强化件进行最大正应力修正后，前3种模型误差分别为1.84%、24.0%和46.4%，而SWT模型的计算结果过于危险。     

喷丸强化对TC11合金模拟叶片高周疲劳寿命影响的试验

针对三种叶片:钢丸强化、二次强化和未强化的钛合金叶片进行了振动特性测量和高周疲劳对比试验.通过试验结果,结合断口分析,对三种叶片的固有频率、振型阻尼比、高周疲劳极限及裂纹起源等方面进行了对比研究.研究表明:喷丸后叶片1阶振型阻尼比增大40%～50%,高周疲劳极限提高40%以上,叶片的高周疲劳寿命也相应地提高.从强化机理方面分析了高周疲劳极限得到提高的原因.该积累的试验数据及研究成果可为TC11喷丸叶片的高周疲劳工程设计提供参考.      

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。     

合金材料高低周复合疲劳寿命研究

就外物损伤对钛合金材料（TC4和TC11）高低周复合疲劳寿命的影响进行了试验研究[D].分别采用摆锤法和空气炮法模拟了叶片外物损伤,对比分析了两类损伤缺口的特征.进行了无损伤试样、损伤试样的疲劳试验,对比分析了外物损伤对钛合金疲劳寿命的影响.结果表明:摆锤冲击试验法模拟的损伤缺乏代表性,空气炮发射弹丸法模拟的损伤更接近真实情况;外物损伤导致钛合金高低周复合疲劳寿命严重下降,空气炮发射弹丸法模拟的损伤使钛合金的疲劳寿命从105下降到104量级.      

TMF本构和寿命模型:从光棒到涡轮叶片

针对空心涡轮叶片，发展了考虑瞬态变温效应的热机械疲劳（TMF）本构模型和寿命预测方法。第一，以某涡轮叶片用定向凝固合金DZ125为对象，开展了光棒、缺口TMF试验，结合已有的高温疲劳试验数据，获得了相位、温度范围、应力集中等因素对TMF寿命影响规律；第二，利用材料微观组织分析手段，揭示了导致光棒和缺口TMF失效的疲劳裂纹萌生机理；第三，借助于Chaboche本构模型，进行了各向异性、变温、蠕变损伤修正，建立了考虑变温效应的循环-蠕变本构模型，实现了DZ125合金拉伸、等温循环、蠕变、疲劳-蠕变以及TMF应力应变响应的统一建模和预测；第四，发展了疲劳-蠕变-氧化损伤累积的TMF寿命模型，利用简单纯疲劳和蠕变基础数据获得了寿命模型参数，并进一步发展了名义应力法预测了缺口模拟件的TMF寿命；最后，以某涡轮叶片为对象，进行了模拟飞行载荷谱条件下的瞬态变形响应计算和叶片TMF寿命预测。     

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。     

毫米级球状沙尘颗粒连续冲击损伤的力学模型与数值模拟研究

在服役环境中，航空发动机叶片易受到沙尘颗粒的连续冲击作用，产生凹陷、撕裂、微裂纹等损伤，从而影响其高周疲劳性能。为保证航空发动机的结构完整性和安全可靠性，有必要深入分析沙尘颗粒连续冲击对叶片造成的影响。本文基于损伤力学理论，开展了毫米级球状沙尘颗粒连续冲击损伤的力学模型与数值模拟研究。首先，推导了损伤耦合的J-C本构模型和连续冲击损伤模型，给出了材料参数的标定方法。其次，基于ABAQUS平台，编写Vufield子程序和Python脚本，实现了连续冲击损伤的数值计算。通过将计算结果与文献中的试验数据进行对比，验证了该方法的有效性。最后，分别进行单个和多个沙粒连续冲击的数值模拟，分析了冲击变形、残余应力和冲击损伤的变化规律。单个沙粒连续冲击叶片的计算结果表明，冲击凹坑深度、冲击残余应力的影响跨度及最大冲击损伤随冲击速度、沙粒尺寸和冲击次数的增大而增大。针对两种不同的随机冲击方式，多个沙粒连续冲击叶片的计算结果表明，沙粒个数越多，最大冲击凹坑深度越深，冲击损伤主要发生在沙粒与叶片接触部位，冲击损伤随冲击次数变化呈阶段性突增。     

航空发动机叶片外物损伤试验模拟方法

详细介绍了机械加工缺口法、低速冲击法、准静态挤压法和高速弹道冲击法等叶片外物损伤试验模拟方法的基本原理、优缺点及应用情况。分析表明:国内对叶片外物损伤的试验模拟研究存在不足,亟待开展空气炮法模拟外物损伤的试验技术研究。     

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。