航空发动机软壁风扇机匣包容性研究

高强度纤维缠绕增强的软壁机匣是大型航空发动机轻质风扇机匣的主要选型之一。针对大型航空发动机软壁包容机匣的总体设计思路,从结构特点、数值分析技术、试验方法、纤维性能考核等方面研究了其包容性分析设计的方法。分析了软壁风扇包容机匣的结构特点,较适用于工程、机理分析地连续介质模型和纱线模型,得出了旋转打靶试验能有效考虑关键因素,而部件包容试验则能初步验证包容能力,数值仿真与部件试验相结合能快速掌握软壁机匣的包容性设计方法。此外,软壁机匣外层纤维织物的拉伸、剪切、摩擦、应变率效应、抗老化测试等性能测试,可为选取优良的纤维织物以及发展适用的材料模型提供参考和依据。     

基于断口分析的钛合金轮内部缺陷损伤容限

为进行某轮损伤容限设计,开展了裂纹扩展断口分析和仿真分析研究。由断口分析可知:疲劳源为一处内部自然缺陷;依据疲劳辉纹确定了裂纹扩展速率;在裂纹长度为2 mm附近,裂纹扩展速率明显增大,为第一、第二加载阶段转换区域;裂纹稳定扩展区裂纹长度与裂纹扩展速率呈双对数线性关系;应用列表梯度法和Paris公式法反推了第二加载阶段的疲劳寿命,与该阶段实际循环次数的最大误差是163%。裂纹稳定扩展阶段裂纹扩展仿真值与断口反推值吻合;非稳定扩展阶段仿真值与断口反推值的最大误差为-215%;基于以上研究,合理确定了某离心轮内部裂纹表面扩展停机检测周期。该类轮非稳定、失稳扩展阶段寿命占内部裂纹表面扩展阶段寿命的比例达248%~357%,因此准确计算具有重要意义。     

靶板抗轮盘碎片撞击能力的数值模拟

为研究机匣抵抗轮盘碎片撞击的能力和破坏方式,找到机匣结构优化设计的方法.用显式非线性动力学软件Dytran计算1/3轮盘碎片与单层和双层靶板的撞击过程.碎片及靶板均选用Johnson-Cook材料本构模型,结合Gruneisen状态方程.撞击过程基于Lagrange算法采用显式有限元计算.结果发现,靶板主要破坏方式为整体塑性变形、剪切撕裂和拉伸断裂;间距较大时双层靶板的弹道极限速度随间距的增加而增大;前靶板厚度比例较小或较大时弹道极限速度较大;单层靶板的抗击穿能力优于厚度均布的双层靶板.因此,通过对双层靶板的厚度和间距进行合理的搭配,能达到比同等厚度的单层靶板更好的抗击穿性能.      

离心压气机包容结构连接螺栓建模方法

为研究离心压气机包容结构的抗冲击能力，对连接螺栓建立多种有限元模型，开展数值仿真研究，分析比较不同建模方法的数值仿真结果与计算特性，并在高速旋转试验台上开展了离心叶轮轮盘破裂包容性验证试验。结果表明:蛛网多点耦合模型、固连失效接触模型和梁-壳离散弹簧模型计算量少，计算效率高，但无法准确体现高能冲击载荷的传递和连接部位突加应力、应变的分布与变化；螺栓实体模型较为复杂，所需计算时间长，但能够充分体现螺栓变形以及与螺栓孔的相互作用，与试验结果有较好的一致性。      

含天然与人工内部缺陷轮盘裂纹扩展特性对比分析

为达到应用人工内部缺陷获得轮盘裂纹扩展特性，开展了含天然与人工内部缺陷轮盘高速旋转低周疲劳裂纹扩展对比试验，并通过无损检测分析、断口分析研究了裂纹扩展特性的差异，提出了含人工缺陷轮盘损伤容限分析思路。无损检测更易识别人工内部缺陷的特征及其变化；人工缺陷区呈碎裂状，有大量的晶间断裂，与天然缺陷区有明显差异；非缺陷区两者无明显差异。天然与人工缺陷区的裂纹扩展速率分别为0.2-0.4μm/次、0.6-1.2μm/次，均远大于基体材料理论值；1#盘加载突变区外断口反推寿命与第二加载阶段循环数的最大误差是12%；2#盘缺陷区外断口反推寿命占总循环数的44.9%-51.9%。基于人工缺陷区定义初始裂纹，排除人工与天然缺陷差异的影响，可获得轮盘裂纹扩展特性。     

突加高能载荷作用下航空发动机结构动态响应及安全性综述

航空发动机在服役期间可能遭受鸟撞、叶片丢失等突加高能载荷的作用,造成发动机整机/部件动力学特性恶化和关键构件的损伤,危及发动机的结构安全性。本文从突加高能载荷复现方法与传递规律、突加高能载荷作用下转子/整机结构响应研究、突加高能载荷作用下关键构件损伤机理三个方面综述了现有研究工作,并针对近年来发展的抗突加高能载荷的安全性设计方法进行了探讨,最后分析了突加高能载荷问题的科学本质及发展趋势,为突加高能载荷作用下航空发动机安全性设计提供了重要参考。     

新型封严涂层高温高速磨耗试验机的研制

为模拟航空涡轮发动机气路封严配副在工作状态下的磨损磨耗现象,研究封严涂层的可磨耗性能,研制了1套新型的可磨耗性能评价试验器。该试验器采用叶片-涂层刮削式磨耗副,使用模拟轮盘带动叶片高速旋转实现叶尖的切线速度;采用封严涂层试样径向进给以模拟叶片刮削切入;使用压电石英晶体3向测力仪定量测量瞬态刮削力;采用高速高温火焰加热试样。考核结果表明:试验器能够完成叶尖切线速度为0~300 m/s、进给速率为1.5~2025μm/s、加热温度为20~800℃条件下的磨耗试验,试验效果良好,数据稳定可靠。     

轮盘低循环疲劳试验器自动控制系统的开发

利用高速旋转试验设备进行轮盘低循环疲劳试验是开展轮盘疲劳寿命及损伤容限性能研究的有效手段。为确保此类试验器能够长时间稳定运行,开发了1套可靠的、无人值守的自动控制系统,以触摸屏为人机接口（HMI）完成试验参数的设置,以可编程逻辑控制器（PLC）为主站控制设备启停及转速循环,监测系统采用工控机（IPC）完成数据显示和保存,并采用第3方控件实现IPC和PLC的串口通信。测试结果表明：该控制系统稳定性高、可靠性好,完全满足设计要求     

某动力涡轮盘裂纹扩展寿命研究

为研究某动力涡轮盘GH4169合金的疲劳裂纹扩展特性,基于Paris公式建立裂纹扩展模型,完成3维裂纹扩展过程的有限元仿真分析,确定试验方案;采用电火花加工工艺在轮盘不同考核部位预制模拟裂纹,以缩短裂纹萌生时间;在高速旋转试验台上进行高温低循环疲劳裂纹扩展试验,试验过程中,在20500 r/min上限转速下进行9000次循环未发现裂纹,提速10%后进行3000次循环发现裂纹;又进行1700次循环,轮盘破裂。试验结束后,利用扫描电镜对疲劳断口进行观察,获得断口宏观、微观特征。将仿真结果与试验结果进行对比,表明仿真分析计算得到的裂纹扩展速率与试验结果有较好的符合性。     

考虑小裂纹特性的裂纹扩展数值分析方法及实验验证

为了对工程断裂关键件进行全面的损伤容限分析,需要发展一种能够考虑小裂纹阶段的疲劳裂纹扩展数值分析方法。在Paris公式的基础上基于镍基粉末高温合金小裂纹扩展行为特点,提出了一种小裂纹加长裂纹阶段的裂纹扩展物理力学过程描述,并以此建立了裂纹扩展速率模型。同时考虑到工程应用,将该模型通过FRANC3D软件的用户子程序,与有限元方法结合,构建了一种可分析实际工程结构例如航空发动机涡轮盘上疲劳裂纹扩展的数值分析方法。针对带初始缺陷的FGH96合金标准试棒进行了裂纹扩展数值分析,并与开展的裂纹扩展寿命实验进行了对比。数值计算结果与实验结果吻合较好,表明该方法能够充分考虑小裂纹阶段的裂纹扩展行为特点,适用于分析工程结构疲劳裂纹扩展的全过程。