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。      

考虑冲击缺陷的钛合金板的疲劳寿命预估

基于连续损伤力学理论,研究了含冲击凹坑缺陷的Ti-1023钛合金板的疲劳损伤问题。通过分析冲击损伤与疲劳损伤的共同作用以及应力场与损伤场的耦合作用,对含冲击凹坑的钛合金板的疲劳寿命进行了预估。首先,基于连续介质运动学理论,采用非线性动力学有限元分析软件进行冲击损伤的模拟,得到冲击凹坑处的残余应力场与塑性应变场。其次,根据塑性损伤方程,计算冲击凹坑局部的初始损伤场,并将其作为后续疲劳计算的初始条件。然后,采用Chaudonneret的多轴疲劳损伤力学模型建立损伤力学-有限元数值解法,以进行损伤演化过程的数值计算。最后,综合考虑残余应力场、塑性初始损伤和疲劳损伤的共同作用,对含冲击凹坑的钛合金板进行了疲劳寿命预估,并进行了相应的疲劳验证试验。结果表明,预估结果与试验结果相一致。所做研究为工程中采用损伤力学方法来预估含冲击损伤的结构的疲劳寿命提供了一种可行的方法。     

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%。     

TC4钛合金激光冲击强化数值模拟

采用连续显式动态冲击策略对航空用TC4钛合金进行激光冲击强化数值模拟研究。根据冲击波能量变化曲线确定单次冲击求解时间为3 000 ns,并分析了应力波传播过程。在此基础上开展多点冲击模拟,分析了功率密度、冲击次数和光斑搭接率对残余应力、应变场的影响。得出增加功率密度对增大表面残余压应力的效果更好;增加冲击次数对增大残余压应力影响深度的效果更好;50%光斑搭接率有效地避免了冲击不均匀和搭接空隙现象。实验和仿真所得的试件表面残余压应力变化趋势相同,数值大小基本吻合。冲击1、3次时,两者的误差分别为4.1%、2.6%,说明仿真结果具有一定的参考意义。      

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.     

超声喷丸与传统喷丸对TC4 钛合金残余应力影响的仿真分析

为了预测喷丸TC4钛合金试件的残余压应力层深度及值的分布和冲击面凹坑的直径、深度特征曲线及表面形貌的变化,采用ABAQUS/Explicit软件建立2个3D模型。通过超声喷丸与传统喷丸2种工艺过程数值仿真对比了表面残余应力场差异,分析了TC4钛合金弹丸直径、速度和冲击次数等喷丸参数对残余应力分布的影响。结果表明:当动能相同时,2种强化过程表面所产生的残余压应力是可比较的,超声喷丸模型亚表层残余应力深度为0.16 mm,约为传统喷丸模型深度的2倍;传统喷丸产生的残余压应力最大值约-800 MPa,约为超声喷丸的1.6倍。与传统喷丸相比,超声喷丸具有较低的表面粗糙度以及较深的残余压应力层。残余压应力层深度与弹丸直径呈正相关,但过大的弹丸尺寸会引起薄壁件另一侧残余拉应力区域的增大。     

基于中子衍射技术的航空发动机部件残余应力测试分析

为了研究航空发动机典型部件内部残余应力分布，介绍了材料残余应力常用的测试分析方法和中子衍射测试分析方 法，并对各方法的分辨率和穿透深度进行了对比，详细阐述了中子衍射技术在航空发动机机匣、叶片、涡轮盘等部件的残余应力测 试分析及材料微观变形机理研究方面的应用。与其他残余应力测试方法相比，中子衍射测试分析方法具有穿透能力强、分辨率高等 优点，能够准确、无损地测试和分析材料的内部残余应力，可用于测量材料或工程部件的3 维残余应力，为评估航空发动机部件的 安全性和可靠性提供依据。     

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。     

航空齿轮激光冲击强化残余应力场仿真计算研究

对高强度航空齿轮齿根激光冲击强化数值仿真计算进行研究,提出激光冲击压力的数值计算方法,建立考虑激光入射角度的航空齿轮单齿的激光冲击强化有限元模型。仿真计算齿根处表层齿宽方向残余应力平均值为–603.97 MPa,与试验测得的齿轮齿根处表层齿宽方向残余应力数据平均值相差0.15%。通过仿真试验,揭示了齿轮齿根区域残余应力分布与激光脉冲能量、搭接率以及光斑半径之间的关联规律。结果表明,同深度层、齿宽方向残余压应力平均值大于齿廓方向残余压应力平均值。提高激光脉冲能量或搭接率均可提高表层残余压应力平均值,但提高激光光斑半径会降低表层残余压应力平均值;提高激光搭接率可以有效降低表层残余应力分布中的应力起伏现象,但过高的搭接率会大幅降低强化工艺效率,实际搭接率不应超过0.8。     

基于单胞模型的Kevlar织物高速冲击数值仿真方法研究

针对航空发动机软壁包容机匣用的Kevlar49机织织物,基于Ivanov提出的单胞模型,采用三元件粘弹性本构模型描述纱线应变率相关的力学特性,建立了Kevlar49织物高速冲击数值仿真模型;通过对单个单元拉伸进行数值仿真获得Kevlar织物的应力应变响应;对钢球撞击四边固支的单层织物开展了数值仿真计算。结果表明:所建立的基于单胞结构的数值仿真方法既能描述织物的宏观力学特性,又可反映出撞击过程中纱线的相互运动;单元拉伸仿真获得的拉伸应力应变响应与试验结果一致;Kevlar织物在钢球下的冲击响应与法向变形与纱线细观有限元模型结果一致,验证了发展的基于单胞模型的数值仿真方法的有效性。     

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.      

航空发动机风扇转子叶片外物损伤II.鸟撞击数值仿真(英文)

鸟撞击是飞行安全最严重的威胁之一。鸟撞击的后果非常危险,因而,在进入服役之前,飞机部件必须通过抗鸟撞认证。航空发动机风扇转子叶片是容易受到飞鸟撞击的飞机部件之一,在设计时必须考虑使航空发动机风扇转子叶片具有抗鸟撞击的能力,降低由于鸟撞击叶片而引起的飞行事故。采用接触冲击算法,对航空发动机风扇转子叶片进行了模拟鸟撞击数值仿真。针对风扇叶片具有阻尼凸台的特点,分析中建立了三叶片组计算模型。得到了对应试验测试点的模拟鸟撞击叶片的瞬态响应曲线、叶片的位移和当量应力。比较了试验中和数值仿真中模拟鸟撞击叶片的瞬态响应曲线,试验中测试点与数值仿真中对应点的变化基本相同。分析了叶片的变形过程、最大位移和最大当量应力。模拟鸟撞击风扇叶片数值仿真验证并补充了模拟鸟撞击风扇叶片试验结果。     

航空发动机吞冰损伤一体化数值模拟平台搭建与验证

为了给航空发动机在进气条件下的吞冰损伤物理试验提供多方案快速优化的数值参考,建立了航空发动机叶片吞冰损 伤快速分析的数值模拟方法和流程,并形成了1套软件系统。该系统通过研究发动机进气吞冰过程中冰体6自由度运动姿态和轨 迹的流场快速模拟方法,建立了吞冰流场的数值仿真模型;通过冰体的本构模型及冰体撞击叶片损伤效应的系统研究,准确建立 了叶片损伤模型;将吞冰流场计算和冰撞击过程计算进行了一体化耦合,形成了航空发动机叶片吞冰损伤的快速分析软件系统, 建立了冰块运动姿态、冰块撞击叶片破碎过程及轨迹预测的一体化仿真流程。结果表明：数值计算方法能够有效预测冰块运动轨 迹和撞击变形量,变形量误差不大于8%;该软件系统有效地解决了吞冰损伤复杂过程有限元模型的自动生成问题,极大地提高了 分析效率,可有效节约试验成本、提高试验效率。     

基于DEM-FEM耦合的超声喷丸强化数值分析

为了研究超声喷丸处理过程弹丸与构件之间弹塑性接触状态、应力场及表面状态分布规律，基于显式微粒离散函数的多弹丸撞击模型和Hertz-Mindlin(No Slip)碰撞接触力学定律，建立了弹丸冲击速度与恢复系数之间的模型。针对超声喷丸过程，建立DEM-FEM(离散元-有限元)耦合数值模型，建立ALE自适应网格模型，通过数值模拟研究恒定恢复系数与动态恢复系数对构件表面残余应力、残余应力层深度、表面宏观形貌的影响，恒定恢复系数增加的过程中，表面残余压应力、残余压应力层深度、表面粗糙度均增加，相比残余应力层深度与表面粗糙度，表面残余应力分布极值差低约12%,相比残余应力层深度内外端均值差值，表面残余应力与表面粗糙度差值低约9%～15%。结果表明，在恒定与动态恢复系数下，与残余压应力层深度相比，表面残余应力与表面宏观形貌更容易实现均匀性；与恒定恢复系数相比，动态恢复系数对构件表面引入的残余应力与试验结果误差均低于5%,预测更接近真实值。     

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。     

航空发动机风扇叶片两种表面处理方法对比

在对激光冲击强化技术与喷丸表面强化技术比较分析之后,表明航空发动机叶片经过激光冲击强化后,能显著增加叶片表面残余压应力,提高疲劳性能,并且其效果优于喷丸表面强化技术。     

涡轮叶片累积损伤指数模型及服役可靠性评估

高压涡轮(HPT)叶片是民用航空发动机的关键结构件之一，直接关系到发动机的性能、可靠性与使用寿命。提出了一种HPT叶片服役可靠性评估方法，基于服役条件下的历史工况参数，结合发动机性能模型、叶片关键点应力、温度计算模型、蠕变损伤评估模型对叶片蠕变损伤进行计算，之后考虑服役条件下的多模态数据，针对蠕变失效建立了累积损伤指数模型，融合历史协变量信息对叶片进行服役可靠性评估。仿真结果表明：采用文中定义的蠕变累积损伤指数，可充分利用发动机服役条件下的历史使用信息、状态参数及截尾失效数据，实现特定使用条件下的涡轮叶片服役可靠性评估及剩余寿命预测。相较于传统的可靠性分析方法，累积损伤指数预测模型能够基于单机服役条件提供更加可靠的评估结果，可为航空发动机运行风险评估与视情维修决策提供更好的支持。     

基于状态辨识的航空发动机转子叶片剩余寿命模型

为有效评定航空发动机转子叶片的检查更换周期，防止叶片过度使用危及飞行安全，将叶片在不同使用阶段的装机工作时间，及典型部位的表面残余应力，作为表征叶片剩余寿命的状态参数，提出了叶片剩余寿命模型的表达形式。以现役航空发动机部分转子叶片为对象，跟踪获得叶片工作历程中，不同阶段的状态参数以及叶片到寿失效信息，采用支持向量机算法和滚动优化方式，建立了叶片剩余寿命状态参数辨识模型。应用结果表明，模型准确性随着时间增长和可用样本数量增加而逐渐提高，预期应用价值明显。     

航空发动机风扇/压气机叶片激光冲击强化技术的发展与应用

激光冲击强化(Laser Shock Peening,LSP)技术是利用强脉冲激光产生的冲击波,从部件表面引入残余压应力的一种革新且最热门的表面强化技术.该技术在部件表面形成的残余压应力深度比常规喷丸强化处理的深5～10倍,具有提高抗疲劳强度、延长疲劳寿命、抑制裂纹的形成与扩展、提高抗微动疲劳/抗磨损/抗应力腐蚀断裂特性等特点.经过多年的开发与研究,美国于1997年将激光冲击强化技术成功应用于航空发动机风扇/压气机叶片,大幅度地提高了其抗外物损伤能力和高循环疲劳性能,并且于1998年被美国研发杂志评为全美100项最重要的先进技术之一,被美国军方认定为第4代战斗机发动机的80项关键技术之一.