航空发动机涡轮叶片包容试验及数值模拟

为了解断裂涡轮叶片与包容环的撞击过程,研究航空发动机的包容性能,提高飞机飞行安全。在高速旋转试验台上进行了飞断平板叶片与包容环的撞击试验,并采用基于撞击动力学理论的有限元数值计算方法模拟了撞击过程。结果表明,平板叶片撞击包容环产生两个撞击点,第二撞击点是较为危险的撞击点,撞击点处的径向凸起量随初始撞击动能的增大而线性增大,两撞击点间的距离随初撞击动能的增大而线性减小,数值模拟准确地反映了叶片与包容环的撞击过程。研究结果对航空发动机包容环结构的优化设计和包容能力的校核计算有一定的参考价值。      

航空发动机真实机匣的包容性试验

为了研究某发动机机匣的包容性, 在旋转试验器上进行了该机匣的包容性试验.试验考虑了相邻叶片的影响, 得到了叶片断裂甩出时的转速、断叶撞击机匣的应变响应和断叶撞击机匣过程的高速摄影照片.试验结果表明, 断叶与机匣碰撞了两次, 第2次撞击时在未断叶片作用下断叶击穿机匣, 机匣的失效模式主要是剪切破坏.采用包容曲线法对机匣的包容性进行了计算, 计算结果与试验结果吻合良好.研究结果对航空发动机机匣的包容性设计有一定的参考价值.      

叶片鸟撞击的理论和实验研究

本文对叶片受鸟撞击损伤的机理进行了理论和实验研究。开发了鸟撞击过程数值分析和叶片响应数值计算的软件系统, 建立了鸟撞击模拟试验设备, 进行了平板叶片的软体撞击试验。通过高速摄影, 记录了叶片受软体撞击后的变形过程, 为进一步研究叶片鸟撞击损伤问题打下基础。      

发动机一级转子抗鸟撞试验与数值模拟研究

鸟撞发动机在鸟撞事故中最容易造成飞机损坏失事的情况,为了研究发动机一级压气机转子抗鸟撞适航性能,对发动机转子在工作状态下进行鸟撞试验,鸟体质量为1 000 g,撞击速度为195 m/s,发动机一级转子转速为8 525 r/min;基于显式碰撞动力分析软件PAM-CRASH 建立相应的叶片鸟撞数值计算模型,通过与试验结果的对比来验证本文计算模型的合理性;根据发动机适航条例分析不同工况下发动机一级转子抗鸟撞性能。结果表明：大鸟撞击相比于中鸟鸟群和小鸟鸟群,对于叶片的撞击结果更加恶劣;叶尖位置撞击会引起叶尖部位的大变形,叶根和叶中位置撞击会引起叶片根部较大的集中应力,导致叶片断裂。     

航空发动机风扇叶片冰雹撞击仿真

为预估航空发动机风扇转子叶片受到冰雹撞击后的损伤情况,基于PAM-CRASH软件进行冰雹撞击风扇转子叶片仿真。采用SPH方法和带失效应变的弹塑性材料模型建立冰雹数值模型,模拟冰雹撞击铝合金平板过程,仿真结果与试验数据吻合较好。针对冰雹撞击旋转状态风扇转子叶片试验,建立3维风扇转子有限元模型,使用带失效模型的J-C本构模型定义叶片材料性能,采用该冰雹模型对试验过程进行仿真,获得的冰雹撞击过程和叶片损伤与试验结果基本相同,叶片凹陷深度误差小于10%。仿真与试验结果对比表明:风扇叶片冰雹撞击仿真方法能够预估叶片被冰雹撞击后的损伤情况,可用于叶片抗冰雹撞击设计与评估。     

鸟撞击风扇转子叶片损伤模拟与试验研究

为了研究航空发动机吞鸟时风扇叶片受到的损伤,开展鸟撞击旋转状态下发动机风扇叶片损伤数值模拟和试验研究。采用SPH方法,使用PAM-CRASH软件对鸟撞击旋转状态下风扇叶片进行了数值模拟,得到了鸟撞击风扇叶片过程:风扇叶片前缘撞击并切割鸟体、叶片盆侧撞击鸟体切片和叶片恢复变形,详细分析了鸟撞击对风扇叶片前缘、叶身、尾缘、凸肩造成的损伤,以及损伤对发动机的影响。设计并开展了旋转状态下鸟撞击风扇转子试验,得到了旋转状态模拟鸟撞击风扇过程,以及旋转状态下鸟撞击风扇实际的损伤类型,撞击过程和损伤类型与数值模拟结果一致。数值模拟和试验结果表明,鸟撞击风扇主要过程为叶片前缘撞击切割鸟体,主要损伤为风扇叶片前缘变形、撕裂、掉块和凸肩工作面错位、掉块,风扇叶片抗鸟撞击的薄弱部位为风扇叶片前缘和凸肩工作面。     

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。     

机匣包容性破坏势能法的试验验证

为了验证航空发动机机匣包容性破坏势能法，本文完成了20次模型机匣包容性冲击试验，得到了模型叶片撞击模型机匣时的速度、应变响应和模型叶片撞击模型机匣过程的高速摄影照片。试验结果表明，该模型机匣的非包容失效模式主要是剪切破坏。本文还采用数值分析方法对机匣包容性进行了模拟，计算结果与试验结果吻合良好。     

带有安装边螺栓连接结构的机匣包容能力研究

为了研究带有安装边螺栓连接结构的机匣对断裂叶片的包容能力,截取环形机匣中的安装边螺栓连接结构,开展有限元仿真和冲击试验。首先,使用LS-DYNA软件建立有限元模型,研究撞击角度、撞击位置、定距套和止口对机匣安装边螺栓连接结构抗冲击能力的影响。仿真结果表明：撞击位置、撞击角度、定距套和止口都对结构的抗冲击能力有显著的影响,当叶片撞击在单侧机匣的安装边位置时结构的抗冲击能力最弱,定距套和合理的止口设计都能够有效提高结构的抗冲击能力。然后,通过机匣安装边螺栓连接结构的抗冲击试验,验证了数值仿真方法的准确性和可靠性,为数值仿真结论的有效性提供了依据。最后,通过数值仿真分析了螺栓断裂过程,并结合试验分析揭示了螺栓发生剪切断裂和拉伸断裂的原因。     

高转速风扇叶片外物撞击损伤的定量评价方法

外物撞击是造成航空发动机风扇叶片变形、损伤甚至断裂的主要因素。针对外物撞击持续时间短、瞬间载荷大、损伤影 响因素多，难以进行定量损伤评价的问题，提出基于叶片损伤参数α的叶片损伤定量评价方法。以发动机风扇叶片受冰撞为例， 采用非接触叶尖计时测量方法，对叶片撞击产生的叶尖位移进行监测分析，验证了该方法的可行性。采用瞬态动力学分析方法对 叶片经受撞击过程进行全流程仿真模拟，并采用正交试验法定量研究了外物撞击过程中的撞击速度、叶片转速、撞击位置3种因 素对叶片损伤参数α的影响，拟合回归方程并绘制了这3种因素的3D响应曲面图，得到各因素的影响权重。结果表明：冰块速度 与撞击位置同时下降时，叶片损伤弱化效果显著。该方法可为大型风扇叶片抗外物打击性能设计和在役健康监测提供理论支撑。     

考虑弯扭变形的叶片模型配准方法

叶片测量数据与其CAD模型的配准定位是叶片几何形状分析的关键步骤。针对涡轮叶片的弯扭变形对叶片模型配准定位的不利影响,提出一种考虑弯扭变形的叶片模型配准方法,以提高叶片模型配准的可靠性与鲁棒性。在迭代最近点算法的目标函数中引入预变换函数,建立考虑弯扭变形的叶片模型配准目标函数。对叶片模型做切片化处理,进行弯扭变形分析生成叶片弯扭变形曲线,使用叶片弯扭变形曲线指导叶片测量数据配准。使用仿真生成带弯扭变形的叶片数据与通过坐标测量机获取的叶片实测数据对配准方法进行了验证。结果表明,所讨论方法能提高模型配准的可靠性,避免弯扭变形可能导致的叶片模型配准失败。     

一种改进的压气机叶片辊轧成型前滑计算模型

航空发动机压气机叶片在辊轧过程中,由于辊轧出口处构件速度大于轧辊速度,存在前滑现象,从而影响叶片辊轧成形精度。针对此问题,为实现叶片无余量辊轧成型,在分析对称辊轧前滑计算模型的基础上,提出并研究了叶片辊轧前滑,建立了叶片辊轧前滑计算模型。为验证前滑计算模型精度,设计了薄板件、V形板件和叶片这3类典型构件CAD模型,基于DEFORM-3D对其辊轧成型过程进行数值计算分析。结果表明,该模型能够精确表达截面不规则类构件辊轧前滑量,为截面变化类构件辊轧前滑研究奠定基础。     

用刚粘塑性有限元法分析叶片精锻时的金属流动和变形组织

本文依据现行生产的某航空发动机压气机二级叶片的有关数据,采用刚粘塑性有限元法对叶身截面的成形过程进行了模拟,得到了纯铅和TC4钛合金两种材料在不同工艺条件下的金属流动和应变分布的规律,讨论了摩擦条件和毛边桥尺寸对金属流动的影响比较了锻件内不同区域的应变量所对应的组织。计算网格与实验网格比较基本吻合。     

Machining fixture for adaptive CNC machining process of near-net-shaped jet engine blade

Low stiffness and positioning problems are difficulties and challenges in the precise machining of near-net-shaped blades. This paper aims to achieve high accuracy in manufacturing by fixture- and deformation-control in the adaptive CNC machining process. Adaptive CNC machining technology is first analyzed, and new fixture-evaluation criteria and methods to evaluate the adaptive CNC machining process fixture design are built. Second, a machining fixture is designed and manufactured after analyzing its positioning scheme, clamping scheme, materials (PEEK-GF30), and structure characteristics. Finally, the designed fixture is analyzed by FEA and experimentally verified by a cutting experiment. The results show that the deformation of the blade is an overall rigid-body displacement, the main deformation of the blade-fixture system occurs on the four clamping heads, and this fixture can effectively protect the blade from local deformation. The proposed clamping-sequence method reliably and effectively controls the local maximum deformation of the blade. The system stiffness is increased by 20 Hz, with each clamping force increased by 200 N. Both high- and low-frequency displacement in roughing milling or finishing milling are acceptable relative to the accuracy demand of blade machining. This fixture and an adaptive CNC machining process can achieve high accuracy in blade manufacturing.     

压气机叶片辊轧模具型腔前滑补偿方法

辊轧模腔是叶片无余量辊轧成形的关键,然而压气机叶片辊轧成形过程中存在前滑现象,造成叶片沿辊轧方向精度偏差,需要在模具型腔设计过程中补偿前滑量,以实现叶片沿积叠高度的精确成形。针对叶片辊轧前滑现象,本文提出并研究了基于辊轧前滑补偿的压气机叶片辊轧模具型腔优化设计方法。首先,在分析前滑成因及叶片截面前滑表征模型的基础上,研究了前滑补偿机理并建立了前滑补偿模型,即型腔中心角与叶片积叠高度的对应关系。在此基础上,通过提取表征叶片的工艺模型截面线族,顺次计算截面前滑值并基于前滑补偿模型对辊轧模具型腔中心角进行修正。然后,基于修正后的型腔中心角,建立叶片工艺模型截面线族到型腔截面线族的空间扇态映射法则并进行截面线映射变换,进而基于型腔截面线重构了基于前滑补偿的叶片辊轧模具型腔。最后,通过高置信度数值计算方法比较了前滑补偿模腔和直接空间几何映射模腔辊轧成形叶片的积叠高度。结果表明,优化后的模具型腔能够有效提高叶片积叠轴方向上的成形精度。     

暖机对压气机叶片径向变形影响的试验研究

为进一步研究暖机对发动机压气机叶尖间隙变化的具体影响,对不同暖机时间与不暖机情况下压气机叶片的径向变形进行了试验研究.由于在发动机整机试验中叶片径向变形无法测量,选择模拟件进行温度与离心耦合作用下的变形试验.利用两种叶片材料制作板材试样,以台架测试数据为基础,计算出发动机启动及慢车至最大状态过程中叶片的离心力和截面温度...     

重型燃气轮机压气机第一级转子叶片断裂分析

为了明确某燃气轮机压气机第1级转子叶片在工作过程中断裂失效的性质和产生原因,通过外观检查、断口分析、表面检查、成分分析、组织检查、硬度测试和强度计算等手段进行分析。结果表明:故障叶片为疲劳断裂;在工作过程中叶尖与机匣处理环异常碰摩,使叶片承受非正常冲击载荷是导致故障叶片产生疲劳裂纹的主要原因;榫齿出现微动磨损及其未进行喷丸强化对裂纹萌生起促进作用。提出了对叶片榫齿工作面进行喷丸表面强化,控制合理的叶片与机匣处理环之间的间隙的改进建议,避免类似故障发生。     

旋翼桨叶非定常挥舞运动的分析计算方法

从旋翼桨叶的实际气动环境出发导出了桨叶的非定常挥舞运动方程，其中考虑了影响旋翼桨叶非定常挥舞运动的各种因素，包括旋翼入流的时滞效应及前行桨叶的压缩性和后行桨叶的失速特性。给出了计算桨叶非定常挥舞运动的递推公式，并进而描述了旋的整体挥舞运动。最后以某型直升机为例，计算了直升机悬停及前飞中旋加变距操纵后旋翼桨叶挥舞运动响应的过渡过程，结果表明：用本文所述方法能合理地计算旋翼桨叶挥舞运动的非定常过渡过程