基于极限应变法的超转分析验证与应用

为了提供快速提高轮盘超转破裂裕度方法,满足适航对超转相关要求,基于极限应变法开展了轮盘超转分析和试验验证。轮盘破裂转速分析与试验结果符合性较好,轮盘起始破裂位置、应力应变分布特征通过轮盘碎片断口及残余变形获得了验证。根据轮盘起始破裂位置,给出了适航超转要求中最不利尺寸公差的确定方法和通过局部结构强化提高轮盘破裂转速的方法。分析和试验结果的对比证明了极限应变法用于超转破裂分析的合理性,整个过程也为充分利用超转试验结果对分析进行验证提供了范例,提出的提高轮盘破裂裕度方法和最不利尺寸公差确定方法具有较强操作性,可为航空发动机轮盘超转设计和适航取证提供参考。     

考虑部件约束的涡扇发动机循环参数分析方法研究

在涡扇发动机初步设计阶段,为了研究部件气动、结构、强度参数对于发动机循环参数求解域的约束,在发动机总体性能稳态计算模型以及尺寸流路计算模型的基础上,利用部件初步设计时采用的Smith图,基于牛顿迭代法构建了一种总体/部件耦合计算方法。在部件主要设计参数的约束边界基础上,采用该方法,能够获取同时满足总体和部件设计要求的循环参数求解域,并进一步获得部件的主要设计参数。使用该方法对第四代双轴混排涡扇发动机EJ200开展了算例验证,获取了部件约束条件下的发动机循环参数求解域,与公布的EJ200数据对比表明,主要部件设计参数误差<4%,表明该方法可以满足工程应用要求。     

基于对应分析的限寿件锻造关键工艺参数分级

探索了一种基于对应分析的限寿件锻造关键工艺参数的分级方法。以涡轴发动机钛合金压气机轮盘坯料锻造关键工艺参数为研究对象,以可能存在的内含缺陷三维尺寸数据为目标,通过加工过程数值仿真与对应分析法结合,辨识关键工艺参数并分级。结果表明:该分级方法下,温度对缺陷三维尺寸的影响随着其变化程度的增加先增加后减少,应变率、变形率对缺陷三维尺寸的影响随着其变化程度的增加而单调递增,摩擦系数的影响可以忽略。     

商用航空发动机适航审定与标准化

说明适航审定与标准化的关系,分析了商用航空发动机标准体系现状,阐述了满足适航要求的商用航空发动机标准体系的搭建原则,提出了设计、试验、材料与制造、客户服务、通用基础标准子体系的搭建方法,以满足商用航空发动机研制的适航管理要求。     

基于蒙特卡罗方法的民用飞机故障风险评估方法

为提高航空安全,降低民用飞机运行过程中的故障风险水平,分别建立了单机风险和机队风险计算方法,指出单机风险计算的关键是确定部件故障分布及故障率,威布尔分布很好地描述了部件故障分布情况。针对部件故障机理,给出了部件故障的未检出概率、部件故障后果的条件概率及相应严重性后果,判定风险水平能否接受;机队故障风险在已知单机风险的基础上,取决于机队规模和当前飞行循环水平。基于机队运行数据预测故障飞机数量,获得不同参数分布、故障飞机数量和退役寿命下的机队风险水平。以某型发动机涡轮盘榫齿裂纹为例,通过蒙特卡罗方法,模拟单机及机队部件产生故障的时间,分析部件故障引起的单机风险水平和机队风险水平,基于运行数据给出民用飞机单机和机队在持续适航阶段的风险水平。     

含缺陷轮盘失效概率分析流程与数值模拟

传统的涡轮盘寿命预测方法未考虑材料初始缺陷,因而无法对带缺陷轮盘进行较准确的寿命预测。本文以加工制造过程中产生的不同缺陷分布特征为基础,重点针对加工导致的孔表面缺陷以及与材料固有的表面、亚表面及内部缺陷,开展航空发动机涡轮盘的失效概率分析。考虑了初始缺陷、应力、检测时间、检测水平等多种随机性对涡轮盘失效概率的影响,建立了含缺陷涡轮盘的失效概率分析流程。为提高计算效率,对轮盘固有缺陷的分析方法进行改进,对轮盘重新分区,并将表层细分为表面、亚表面、内部三部分分别进行计算。通过编写C++程序分析并验证了含缺陷轮盘失效概率分析方法的可行性,获得的结论具有工程应用参考价值。本文方法在满足一定精度的同时具有较高的计算效率,并对应力水平、检测时间的分散性和模拟次数等对失效概率的影响进行了讨论。     

考虑表面加工缺陷的轮盘疲劳寿命分析方法

为了将表面加工状态引入零构件概率寿命分析中,提出并建立了考虑表面加工缺陷的轮盘疲劳寿命分析方法。将孔的表面加工缺陷简化为表面裂纹和/或角裂纹,导出裂纹深度密度函数;借助裂纹应力强度因子经验公式及有限元分析,提出轮盘孔边裂纹应力强度因子计算的推广经验公式方法。建立了3种考虑表面缺陷尺度分布时轮盘概率寿命计算方法。以钛合金盘为例,在获得的表面缺陷分布条件下,计算了给定寿命的轮盘疲劳寿命失效概率及故障率。仿真结果表明:采用该方法可以将表面加工缺陷对疲劳寿命的影响引入构件寿命评估体系。     

航空发动机限寿件表面特征概率损伤容限评估

为满足航空发动机适航规章(FAR/CCAR33.70)限寿件安全性评估要求,系统总结了基于特殊材料数据库、线弹性断裂力学分析与表面特征失效概率分析的表面特征概率损伤容限评估方法。以表面孔特征为例,总结分析符合适航规章要求的孔特征概率损伤容限评估流程,描述优化的孔特征评估方法,根据咨询通告AC33.70-2中带孔特征轮盘算例完成概率损伤容限评估模型的验证。结果表明:20 000循环寿命期内,不进行无损检测和在4 000及8 000循环对相互独立的90%部件进行两次无损检测的失效概率分别为2.677×10-4和1.514×10-4,符合适航算例校准要求。基于优化评估方法计算的失效概率为3.406×10-4,可初步判定表面特征适航符合性。该评估方法为限寿件表面孔特征评估提供技术支持,并对其他表面特征的评估具有一定的指导意义。      

温度场对航空发动机转子超转破裂的影响

CCAR33.27超转适航要求,分析和试验确定的超转转速,必须基于温度和温度梯度的最不利组合。因此,研究温度和温度梯度对超转破裂的影响有非常重要的意义。以某型航空发动机低压6级涡轮转子为例,采用极限应变方法开展了转子部件的超转破裂分析,对比了常温和高温（红线转速对应的温度分布）下转子关键轮盘应变分布趋势和应变增长规律、预测的超转破裂的起始位置和破裂转速等轮盘超转特性;针对超转破裂分析,提出了在高温条件下,经过常温超转破裂试验验证的方法应用的有效性条件。低压涡轮转子的分析结果也显示,红线转速对应的温度状态下,轮盘超转破裂转速比常温下显著降低,而高温下材料屈服强度的大幅降低则是破裂转速下降的主要原因。     

新一代600℃高温钛合金材料的合金设计及应用展望

先进航空发动机及超声速飞行器的发展对耐热轻质的600℃高温钛合金材料提出了迫切需求。600℃高温钛合金主要用于制造发动机600℃以下高温段高压压气机轮盘、叶片、整体叶盘、机匣以及飞行器机身构件、蒙皮等,可以显著减轻结构重量,大幅提高发动机的推重比和飞行器的飞行速度和机动性。600℃高温钛合金的设计受蠕变与热稳定性本质矛盾的限制,为了最大程度发挥高温蠕变抗力,同时兼顾塑性、热稳定性等,基于当量设计准则和扩散理论,设计研制新的600℃高温钛合金材料TA29,合金系为Ti-Al-Sn-Zr-Nb-Ta-Si-C。TA29钛合金具有优异的热强性,良好的断裂韧度、塑性和热稳定性,其整体叶盘部件成功通过了发动机强度考核试验,有望推广应用于先进航空发动机、超高声速导弹等飞行器的高温结构部件。应加强TA29钛合金高温蠕变-疲劳-环境交互作用、微织构、表面完整性、残余应力分析及其对使用性能影响等研究。     

An experimental method to obtain the hard alpha anomaly distribution for titanium alloy aeroengine disks

A probability-based damage tolerance methodology has been proposed to improve the recognition of material anomalies, especially hard alpha (TiN) anomalies for aeroengine rotor disks. A key input to this method is hard alpha anomaly distribution, which reflects the occurrence rate and size of anomalies present in the finished part material of titanium rotors. Since anomalies rarely occur naturally, an experimental method is proposed to obtain the anomaly distribution for titanium alloy aeroengine disks to reflect and equivalently replace the manufacturing development in titanium industry. In general, the anomaly distribution information can be divided into two parts: the Probability of Detection (POD) curve and the detected anomaly distribution, which contains the size and frequency data of the detected anomalies. The distribution can be established based on several appropriate assumptions and derivation steps with different confidence levels of POD curves and detected anomaly distributions. In this case, the distribution can be obtained in a relatively short time as a key input to the probability-based damage tolerance methodology. Then the Probability of Failure (POF) can be calculated, and the value is found to vary with different confidence levels. On this basis, the conservative estimated POF can be obtained in conjunction with confidence levels.     

航空发动机限寿件批准寿命适航验证方法

以传统的安全寿命法为基础,研究了航空发动机限寿件批准寿命适航验证流程和审定要素.以限寿件适航要求和咨询通告符合性方法为指导,借鉴航空发动机通用规范对关键件的定寿管理方法,从计算分析验证和试验验证给出限寿件批准寿命适航符合性验证的流程和方法.以典型的民用航空发动机为例研究了限寿件的判定准则.从限寿件结构危险点的判定方法、载荷谱的处理和应力分析给出了限寿件批准寿命计算分析验证的关键技术;从试验条件、试验温度方案、试验应力系数和散度系数的获取给出了限寿件批准寿命试验验证的关键技术.为航空发动机限寿件批准寿命适航审定提供指导方法,也为中国民用航空局编制航空发动机限寿件适航咨询通告提供参考依据.      

飞机刹车盘磨损对制动距离的影响研究

为符合适航标准要求,寻求满足适航标准的符合性验证方法,开展了刹车盘磨损对制动距离影响的分析研究.通过研究,得到了既满足适航要求,又简便易行的方法,为民用飞机合格审定该科目的试验提供了一条新的途径.     

基于表面缺陷特征的疲劳寿命预测方法

在含表面缺陷试样的疲劳数据的基础上,提出了表面缺陷对疲劳寿命影响的尺寸参数,将其引入Walker寿命方程,建立了可以考虑表面缺陷尺寸特征的疲劳寿命预测方程。将该方程的寿命预测结果同考虑应力梯度的寿命预测方法的计算结果进行对比,两者在±3倍以内,验证了方法是准确可靠的。进而,将该方程应用于粉末高温合金涡轮盘的疲劳寿命预测中,获得了不同尺寸的表面缺陷对涡轮盘寿命的影响规律,其工程意义在于:依据涡轮盘危险位置的应力特征,能够给出存在缺陷时的疲劳寿命,可作为使用过程中的重要参考数据,一旦出现漏检的表面缺陷,也能够保证涡轮盘的安全工作。      

钛合金焊接件疲劳寿命估算

基于有限单元法理论，采用ANSYS有限元分析软件，对航空发动机中常用钛合金焊接试件进行应力应变分析，得到了焊接接头的等效应力场和应变场，并确定出试件等效应力集中系数Kf，运用局部应力-应变法对光滑焊接试件估算疲劳寿命，并采用成组试验法对计算结果进行验证和分析。     

A trajectory planning method on error compensation of residual height for aero-engine blades of robotic belt grinding

While the traditional trajectory planning methods are used in robotic belt grinding of blades with an uneven machining allowance distribution, it is hard to obtain the preferable profile accuracy and surface quality to meet the high-performance requirements of aero-engine. To solve this problem, a novel trajectory planning method is proposed in this paper by considering the developed interpolation algorithm and the machining allowance threshold. The residual height error obtained from grinding e...     

金属增材制造技术在航空发动机领域的应用

从增材制造技术的基本概念出发,研究了适用于金属材料的定向能量沉积(DED)技术和粉末熔覆(PBF)技术的基本原理、技术内涵以及技术发展,重点分析了增材制造技术在开发燃油喷嘴和低压涡轮叶片等商业化零部件的应用,以及对涡轮叶片、整体叶轮和齿轮等航空发动机部件的修复.研究表明,金属增材制造技术广泛适用于钛合金、镍基合金、钛铝合金等金属材料的航空发动机部件,在设计、制造和经济可承受性等方面具有优势.      

钛合金管材三辊冷轧机滑道工作曲线的设计方法

针对钛合金管材的三辊冷轧机滑道工作曲线设计,提出一种新的方法--以轧制力的稳定为设计标准,合理分配减径段各段的压下量.与传统以压下量逐段递减为原则的经验设计方法相比,该方法可以根据具体材料和工艺制度的改变而灵活调整,减少了工艺缺陷的产生,提高了钛合金管材加工的表面质量.     

民用航空涡轮发动机持久试验条款发展历程

全面回顾了航空发动机适航规章CCAR-33R2第33.87条持久试验的演变历程,在解读适航规章条款要求的基础上,深入跟踪了当前国际上针对33.87条持久试验的研究动态。跟踪研究发现,自1957年规定了6 h×25阶段的150 h试验谱以来,涡轮发动机持久试验的主体要求基本保持不变,而涡轮发动机设计则出现了显著的发展。发动机设计技术的进步带来了与适航规章要求不协调的问题,针对该问题当前国际上已开展了150 h持久试验替代试验的探索性研究及应用,虽然现阶段还存在一系列问题有待澄清和解决,但相关研究为我国民用航空发动机适航符合性方法及适航标准制定与修订提供了参考和借鉴。持续深入跟踪国内外适航技术动态,及时采取积极的应对策略,并开展有针对性的条款研究工作,对于提升我国适航技术规章的编制和修订能力具有十分重要的意义。