航空工业中的微动损伤及研究概况

本文介绍飞机及发动机中出现的微动损伤概况。飞机构件实验室实验中约有90％的破坏均发生在有微动环境处,微动作用使材料的疲劳强度降低了30～80％。本文还介绍了微动损伤的典型特征。     

微动疲劳结构应力强度因子有限元分析

 采用ABAQUS软件建立了铝合金的圆柱/平面接触微动疲劳结构有限元全局模型和子模型,运用该模型将计算的应力值与解析解进行比较,结果相当吻合,证明了本文有限元模型及方法的有效性。最后在FRANC2D/L中用接触区的正应力和剪应力代替压头,重建子模型。通过分析得到了不同影响因素下应力强度因子（SIF）随裂纹扩展历程变化规律的曲线。结果表明,外加循环应力是影响SIF的最主要因素,SIF随循环应力的增加而增加。在微动疲劳影响深度区内,SIF随接触压力P、摩擦因数f以及Q/(fP)（Q为切向力）的增加而增加。Q/(fP)的影响最大,摩擦因数的影响最小,接触压力介于二者之间;超过该深度,SIF对其不再敏感。     

In-situ observation and finite element analysis of fretting fatigue crack propagation behavior in 1045 steel

In this paper fretting fatigue crack behavior in 1045 steel is studied by in-situ observation and finite element analysis. in-situ fretting fatigue experiments are conducted to capture real-time fretting fatigue crack formation and propagation process. The fretting fatigue tests under different load conditions are carried out, then the lifetime and fracture surface are obtained. The crack propagation rates under different loading conditions are measured by in-situ observations. With in-situ observation, crack initiation location and direction are analyzed. Finite element model is used to calculate J-integral which then is applied to fitting with experimental crack growth rate, and establishing crack growth rate model. From fitted S-N curve, it turns out that smaller load ratio leads to higher lifetime. Crack initiates slightly below the point equivalent to line contact of the contact surface in different test conditions, and crack direction shows no obvious relationship with load parameters. The established crack growth rate model well agrees with the test results.     

ZSGH4169榫连接结构微动疲劳试验

针对航空发动机热端部件涡轮盘榫连接结构微动疲劳现象展开研究,开展了ZSGH4169镍基高温合金榫连接结构在不同温度和不同载荷下的微动疲劳试验。试验发现:在不同工况下,微动疲劳裂纹均产生在榫槽接触区的下缘,且两侧均有裂纹产生。榫连接结构微动疲劳寿命随着试验温度的升高,微动疲劳寿命显著降低;随着载荷的增加,微动疲劳寿命显著降低。温度和载荷都会对滑移幅值产生影响,且微动疲劳寿命随着滑移幅值的增加而降低。使用包含微动疲劳参数的高温微动疲劳寿命预测模型来对ZSGH4169微动疲劳试验进行验证,预测寿命均在2倍误差带内。      

圆柱接触面榫连接结构的优化设计

以圆柱对平面接触特性研究为基础,提出了榫头接触面由直平面和部分圆弧面组成的结构方案,与典型的圆柱接触面榫结构方案对比,给出了设计结果.进而基于微动疲劳考虑,分别选择了最大综合参数FFD(fretting fatigue damage)最小和最大接触应力最小作为优化目标,对两种榫接触面设计方案分别进行了优化分析,结果表明以最大综合参数FFD最小为优化目标效果更好.      

榫连接结构高温低周微动疲劳试验

针对航空涡扇发动机压气机叶片/轮盘连接结构,设计了一种燕尾榫结构高温微动疲劳试验加载装置,开展了TC11钛合金在200℃及500℃下的微动疲劳试验。通过动态位移及动态应变法实现对燕尾榫微动疲劳萌生寿命的监测。试验中发现微动疲劳裂纹均萌生在燕尾榫接触区域的下边缘,且接触表面存在大量的微动磨屑,属于典型的微动疲劳失效形式。试验结果表明:温度环境对微动疲劳寿命的影响较为明显。随着试验温度的升高,试验件的微动疲劳寿命会逐渐减小。      

航空装备关键件微动疲劳寿命预测

通过微动疲劳损伤机理分析,以微动疲劳接触应力计算入手,建立了航空装备关键件中一种较为普遍的圆柱/平面接触微动疲劳结构的有限元全局模型和子模型,通过边界条件误差和离散误差分析,提高了计算精度和计算效率。以断裂力学为基础,根据复合型裂纹断裂判据,用改进的裂纹闭合积分法计算了裂纹尖端应力强度因子,引入应力强度因子影响系数,建立了微动疲劳裂纹扩展寿命预测模型,确定了模型中的参数,通过预测寿命与试验值的对比验证了该模型的正确、有效性。     

微动疲劳寿命可靠性分析方法研究

针对结构的微动疲劳问题,发展了一种寿命可靠性分析方法。在微动条件下,接触区域处于多轴应力状态,采用基于临界平面法的多轴疲劳参数对结构的微动疲劳寿命进行预测。在确定性寿命计算的基础上,考虑弹性模量、摩擦系数以及寿命预测模型中材料常数的随机性,利用响应面方法,结合Monte-Carlo模拟技术获得结构微动疲劳寿命可靠性模型。最后将此方法用于燕尾榫结构的微动疲劳寿命可靠性分析,验证了所提出方法的可行性和有效性。     

微动垫夹持刚度对微动疲劳寿命的影响分析

以单卡头式微动疲劳试验装置为对象,设计了不同微动垫夹持型式的微动疲劳试验装置,建立了两种试验装置的物理模型,结合理论分析和有限元数值仿真,从微动垫夹持刚度的角度分析了影响微动疲劳寿命的主要因素,并进行了试验对比验证。结果表明:夹持刚度的减小对SWT（Smith Watson Topper）微动疲劳损伤参量的最大值及位置影响较小,且使其在接触区域的分布趋于对称,可显著地降低相对滑移幅值,进而减小微动疲劳过程中的磨损程度;与夹持刚度较大的试验装置相比,夹持刚度较小的试验装置测试得到的微动疲劳试验寿命较长。      

航空发动机引气管卡箍断裂失效分析

针对某发动机发生的引气管单联卡箍组件中的卡箍上半部断裂的故障,对断裂的卡箍上半部进行宏观侧表面检查、断口及材质分析,结果表明：卡箍上半部断口疲劳源区位于卡箍上半部与下半部接触侧的表面区域,在螺栓装配中引起卡箍上半部发生塑性变形而产生表面拉应力,并且在发动机振动载荷作用下产生微动磨损,从而破坏了卡箍上半部螺栓孔周围局部的表面完整性,降低了该部位的抗疲劳强度,是导致卡箍上半部产生疲劳萌生进而发生断裂故障的根本原因。在卡箍上、下半部之间加装垫片的改进建议已在新的结构设计中得到应用,垫片的加装消除了卡箍上半部在装配过程中由于变形而产生的表面拉应力,并且减轻了卡箍上、下半部之间的微动磨损,从而避免此类故障再次发生。     

激光冲击强化对钛合金高温微动疲劳寿命的影响

为了解高温工作环境下激光冲击强化工艺(LSP)对钛合金材料微动疲劳寿命的影响,开展了强化前后TC11钛合金在室温、300°C和500°C下的微动疲劳试验并测试了试验件表层的残余应力及硬度。结果表明:随着温度的升高,激光冲击强化对TC11钛合金微动疲劳寿命的提高倍数逐渐减小。在轴向载荷为400MPa,法向载荷为65.5MPa时,经激光冲击强化后TC11钛合金试验件在室温、300°C和500°C下的微动疲劳寿命分别为强化前的5.5倍、3.5倍和1.7倍;强化后试验件表层的残余应力会在高温下发生松弛,且松弛程度会随温度的升高而增大,这是激光冲击强化效果随温度升高而逐渐弱化的主要原因。     

拉伸板中心孔干涉配合对载荷幅值的影响

为研究干涉配合中被连接件最小截面（SCS）所传递载荷（截面载荷）的幅值得以降低的原理,按一定规律对销钉与板进行分区,并将其用同等刚度的弹簧代替,建立了销钉干涉配合的弹簧分析模型,进而从弹性角度解释了干涉配合中板的最小截面所传递载荷的幅值得以降低的原因。基于该模型分析了静载下截面载荷随外载的变化规律,得到了循环载荷下截面载荷幅值与外载幅值间的关系,其与有限元分析（FEA）结果之间的最大误差不到20%。分析发现：连接件与被连接件间的接触力随外载变化的自动调节作用是截面载荷幅值降低的原因;对于特定的绝对干涉量,干涉配合只对一定范围内的外载具有调节作用。当外载在干涉配合的有效影响区时,截面载荷幅值的降低程度完全决定于连接件与被连接件的相对刚度;若外载过大使得钉孔发生分离,干涉配合不仅对载荷幅值不再具有调节作用,还容易引起钉孔接触面的微动磨损。     

脉冲爆震轴向载荷对双半内圈球轴承疲劳寿命的影响

针对脉冲爆震涡轮发动机(PDTE)中的周期性、强非定常轴向载荷可能导致滚珠轴承可靠性降低的问题,应用损伤力学理论和有限元法建立了PDTE中双半内圈球轴承的疲劳寿命预测模型,研究了在脉冲爆震燃烧室(PDC)引入的周期性、强非定常轴向载荷作用下双半内圈球轴承的疲劳寿命。研究结果表明双半内圈球轴承的两个半内圈均在接触区次表面最大切应力位置处萌生裂纹,随后裂纹逐渐扩展至表面导致轴承疲劳失效。在PDC爆震阶段,由于引起第一半内圈疲劳损伤的切应力范围较小,因此第一半内圈的疲劳寿命较高;而在PDC填充和排放阶段,由于接触摩擦作用以及滚珠滚过第二半内圈时产生较大的切应力范围,从而导致第二半内圈的疲劳寿命较低。在对PDC爆震阶段引入的峰值轴向载荷进行合理设计后,PDTE中双半内圈球轴承的疲劳寿命主要由第二半内圈的接触状态和轴承的润滑条件决定。本文的研究成果为PDTE中滚珠轴承的选型与设计提供参考。     

榫连接结构微动疲劳寿命研究

根据航空发动机叶片和轮盘的榫连接结构接触区域的几何特性,对其微动疲劳接触问题进行了简化.通过有限元方法对简化模型进行数值计算分析,获取相应的应力、应变和位移.将临界平面法和微动损伤机理相结合,提出了一个微动损伤参量,并建立相应的微动疲劳寿命预测模型.将TC11试验件和榫连接构件的微动疲劳试验寿命与预测寿命进行比较分析.结果表明:所建立的微动疲劳寿命模型其预测结果误差分散带均在2倍因子以内.      

基于临界面法的燕尾榫连接结构微动疲劳寿命预测

以航空发动机叶片/轮盘之间的燕尾榫连接结构为研究对象,分析了燕尾榫连接结构接触应力与应变的变化.根据多轴疲劳临界损伤平面原理,在燕尾榫连接结构的微动疲劳寿命预测研究中引入多轴临界平面法的疲劳损伤参数CCB (Chu-Conle-Bonnen),FS (Fatemi-Socie),MSSR (modified shear stress rang)和SWT (Smith-Watson-Topper).将预测寿命与试验寿命进行对比,结果表明:在预测微动疲劳寿命时,4个参数中寿命预测的最大误差为23%,可较好地预测低周微动疲劳寿命.其中基于临界平面法的SWT参数预测误差最小,为1.23%;4个参数均预测裂纹萌生位置在接触区末端,与试验结果一致.在预测裂纹萌生角度上,FS,MSSR,SWT参数预测结果与试验较一致,CCB参数预测结果与试验结果相差较大.说明基于临界平面法的寿命预测模型具有较好的预测能力.      

桥式试件微动疲劳寿命预测与试验研究

对钛合金桥式试件进行数值分析与微动疲劳试验研究,提出了用MSWT参数预测裂纹萌生位置的方法和基于MSWT参数的微动疲劳寿命预测模型。试验结果与断口分析表明:疲劳裂纹出现在微动试件的接触区边缘,与MSWT参数预测的裂纹萌生位置一致。利用桥式试件的微动疲劳试验数据,获得了寿命预测模型中的相关参数,并采用相关文献中燕尾榫连接结构的试验结果对该预测模型进行了验证。     

高低周载荷作用下燕尾榫结构的微动疲劳寿命预测

为预测在高周和低周载荷共同作用下,燕尾榫连接结构的微动疲劳寿命,采用高低周等效应力比代替传统经验预测模型中的等效应力,并考虑到摩擦功的影响,对微动疲劳寿命预测经验模型进行改进。通过燕尾榫连接结构的高低周微动疲劳试验,拟合了改进微动疲劳寿命预测模型中的三个系数;采用该模型对相关文献中的燕尾榫连接结构微动疲劳试验结果进行预测,结果表明,微动疲劳寿命预测的最大误差降低了约50%。     

高温不锈钢与钛合金微动疲劳特性的实验研究

用桥式试样研究了接触压力、微动幅度、温度、循环次数、高低周载荷幅值比等参数对微动疲劳寿命影响。结果表明拉应力和法向压力均影响微动疲劳寿命。当拉应力较大时,微动疲劳寿命（FFL）与普通疲劳寿命（PFL）相差不大,法向压力的影响不明显;拉应力较小时,FFL显着低于PFL,且法向影响显着。FFL随法向压力增加而降低,但当超过200MPa后,反而提高。高低周幅值比的增加,FFL大幅度降低。当幅值比为0.125,从室温到450℃,PFL持续降低。而FFL从室温到200℃降低幅度较大,在300℃左右恢复,随后又降低。研究表明FFL的恢复是微动表面形成了防护性釉质层的结果。     

Fretting wear behaviour of machined layer of nickel-based superalloy produced by creep-feed profile grinding

Fretting wear has an adverse impact on the fatigue life of turbine blade roots. The current work is to comparatively investigate the fretting wear behaviour of the nickel-based superalloy surfaces produced by polishing and creep-feed profile grinding, respectively, in terms of surface/subsurface fretting damage, the friction coefficient, wear volume and wear rate. Experimental results show that the granulated tribolayer aggravates the workpiece wear, while the flat compacted tribolayer enhances ...     

微动疲劳寿命可靠性分析方法

针对结构的微动疲劳问题,发展了一种寿命可靠性分析方法.在微动条件下,接触区域处于多轴应力状态,采用基于临界平面法的多轴疲劳参数对结构的微动疲劳寿命进行预测.在确定性寿命计算的基础上,考虑弹性模量、摩擦系数以及寿命预测模型中材料常数的随机性,利用响应面方法,结合Monte-Carlo模拟技术获得结构微动疲劳寿命可靠性模型.最后将此方法用于燕尾榫结构的微动疲劳寿命可靠性分析,验证了所提出方法的可行性和有效性.