某型航空发动机寿命试车程序研究

在某型航空发动机使用载荷分析基础上，将发动机实际使用载荷(主要包括低循环疲劳载荷、蠕变载荷、高周疲劳载荷)融入寿命试车程序中，编制出该型发动机寿命试车程序。本文建立的在使用载荷分析基础上编制发动机寿命试车程序的方法以及编制的寿命试车程序，对于其他型号发动机的寿命试车也具有重要的参考价值。     

航空发动机燃油总管支架断裂故障分析

某型航空发动机在整机试车过程中多次发生燃油总管支架断裂故障,断口分析表明为高周疲劳断裂。利用有限元方法对该燃油总管系模态进行计算分析,结果表明燃油总管系有多阶固有频率落在发动机共振频率范围内,严重不满足设计要求,存在极大的共振可能性,并通过动应力测试予以了验证。为解决共振问题,采取增加燃油总管支架刚度和支架数量的方法,将燃油总管的最低共振频率调在发动机共振频率范围之外。经后续试验验证,燃油总管系未出现相同故障,支架断裂故障得以排除。     

某型航空发动机燃油导管开裂失效分析

某型航空发动机试车后多次出现燃油导管开裂,裂纹位于导管接头与管体焊接的热影响区。通过对导管开裂裂纹及金相组织进行检查,结合导管的制造、修理工艺进行综合分析,确定了导管的失效模式为装配残余应力过大造成的高周疲劳开裂,在发动机的振动作用下,导管外圆周向打磨处高的应力集中加速了疲劳裂纹的萌生和扩展,导致导管疲劳开裂。     

变幅载荷对高温合金裂纹萌生及扩展寿命的影响

为了更好地分析航空发动机用高温合金裂纹萌生阶段的变幅载荷对高温材料的低周疲劳裂纹萌生及扩展寿命的影响,将低周疲劳的裂纹萌生过程视作损伤累积过程,基于连续损伤力学建立了低周疲劳损伤累积模型.结合室温下GQGH4169合金的裂纹扩展试验数据,通过有限元建模计算和数值分析方法确定了模型中具体的损伤参数数值,并对裂纹萌生寿命进行了预测.结果表明:该方法不但能准确地预测变幅加载下CT试样的裂纹萌生寿命,而且能很好地反映萌生阶段变幅载荷对裂纹扩展寿命的影响,而且降低了试验成本.     

涡扇发动机空气导管开裂故障研究

针对涡扇发动机试车中出现的空气导管开裂故障,进行了故障件断口外观形貌及断口和原材料分析。利用Pairs公式反推出的断口疲劳扩展区的应力,低于TA15钛合金拉伸强度极限15.6%;而空气导管带刀痕试样的高周疲劳强度极限,低于该合金在材料数据手册中的疲劳强度极限27.4%。故障原因主要是加工刀痕降低了构件的疲劳强度极限,在发动机试车过程中的振动和空气导管内外腔压差变化载荷作用下,导致了裂纹萌生和扩展,这也表明TA15钛合金具有缺口敏感性。     

镍基高温合金GH536的热疲劳行为

燃烧室火焰筒作为航空发动机的热端关键结构件,在工作过程中受到复杂的循环温度载荷,使其承受热疲劳损伤.对火焰筒常用镍基高温合金GH536的热疲劳行为进行试验研究.根据火焰筒结构和载荷特征,设计了中心孔平板试样以及热疲劳试验,研究了热疲劳载荷条件下GH536平板的裂纹萌生及扩展规律,揭示了GH536的热疲劳破坏机理.研究发现:①热疲劳裂纹以穿晶模式萌生,以沿晶方式扩展并断裂;②随着热疲劳试验中上限温度的升高,裂纹的萌生寿命缩短,裂纹扩展速率加快,试样在800℃时的热疲劳裂纹萌生寿命是900℃裂纹萌生寿命的4.5倍.      

航空发动机滑油箱支架断裂失效分析

针对在某发动机试车过程中发生的滑油箱支架断裂故障,通过外观检查、断口分析、磨损痕迹对比分析、材质分析以及 有限元分析计算等失效分析方法,确定了故障支架的断口性质以及断裂原因。分析结果表明：发动机滑油箱故障支架断口为起源 于吊耳内弧表面的高周疲劳断口。故障支架存在悬臂结构,当对螺栓施加拧紧力矩时,支架的悬臂结构会产生明显的变形不协 调,使支架的2个吊耳出现偏载,导致支架局部应力集中,是疲劳裂纹萌生的主要原因。在发动机试车过程中,支架在装配应力和 振动应力综合作用下,裂纹在支架应力集中区域萌生并扩展导致支架最终断裂。提出了完善设计结构形式并减小拧紧力矩等改 进建议,避免类似故障再次发生。     

粉末冶金镍基高温合金FGH96高温疲劳寿命分散性特征

通过宽载荷水平大子样试验研究了缺陷对粉末冶金镍基高温合金FGH96的疲劳寿命分散性的影响,获得FGH96在宽载荷水平下的疲劳寿命分布特征.通过扫描电镜对疲劳失效断口进行统计分析,揭示缺陷在不同载荷条件下的作用.结果表明:①FGH96中导致疲劳失效的缺陷主要为非金属夹杂;②在高应力水平下（1200,1100MPa）下,导致表面萌生裂纹的夹杂是最差疲劳寿命的主导因素,使得疲劳寿命分散性较大;③在中间应力水平（1000MPa）下,在材料内部萌生裂纹的夹杂并不影响疲劳寿命的分散性;④在低应力水平（900MPa）下,疲劳破坏均萌生于内部,在材料内部夹杂处萌生的裂纹并不影响疲劳寿命的分散性.因此,在高应力水平下的寿命预测需要考虑缺陷信息.      

主起落架上转轴开裂原因分析

主起落架完成3倍目标寿命疲劳试验后,进行分解检查时发现上转轴的一个孔边缘及孔内壁出现了裂纹,该上转轴共经历了4倍目标寿命疲劳试验,材料为30CrMnSiNi2A超高强度钢。通过外观检查、残余应力测试、断口宏微观观察、能谱分析、金相检验、硬度测试和化学成分分析等方法,对上转轴的开裂原因进行了分析。采用疲劳断口定量分析方法反推上转轴的裂纹萌生寿命,并给出疲劳裂纹扩展速率与裂纹长度之间的关系曲线。结果表明：该上转轴裂纹的性质为高周疲劳开裂,其裂纹萌生于2倍目标寿命+5个加载谱块之前;上转轴开裂原因与轴孔安装过紧进而承受较大载荷谱应力、源区侧表面损伤和残余应力共同作用有关。通过加强装配过程控制、提高表面处理,上转轴已完成安全寿命试验（即7倍目标寿命）。     

某型风扇转子叶片裂纹失效分析

针对某型风扇转子叶片的榫头工作面及叶身与缘板转接部位在振动疲劳试验后发现的裂纹故障,通过外观检查、断口分析、表面检查、成分分析、金相组织检查、硬度检查和有限元分析,对故障叶片的裂纹性质和萌生原因进行分析。结果表明:故障叶片2条裂纹的性质均为高周疲劳,A裂纹的萌生与叶片表面的加工刀痕有关;B裂纹的萌生是由夹具和榫头工作面之间的磨损导致。     

某Ⅰ级涡轮盘低循环疲劳寿命试验研究

为了确定某Ⅰ级涡轮盘的技术寿命,根据该盘的标准循环载荷谱,对该盘进行了应力分析,确定在标准循环时该盘中心孔与径向销孔相交处为考核部位。为模拟标准循环时该盘在其考核部位的应力谱,专门设计了该Ⅰ级涡轮盘的试验转子及试验参数,在轮盘低循环疲劳试验器上,对该Ⅰ级涡轮盘的一个旧盘进行了高温低循环疲劳试验。试验结果表明：该旧盘低循环疲劳试验至第６０４７ 次循环时,有５ 个销孔考核部位出现了裂纹。断口分析表明：该旧盘剩余的试验低循环疲劳失效寿命为６０４７ 周     

离心通风器壳体失效分析

根据某发动机离心通风器6个故障件的破坏形貌分析结果以及简化模型的光弹性试验和有限元计算结果建立离心通风器壳体力学模型,并通过计算的名义应力探讨结构失效原因并提出排故措施。研究结果表明,由于壳体在油气混合环境中使用,其肋的转接台阶处具有高的应力集中、材料铸造表面粗糙、组织疏松等缺陷,助的截面尺寸公差太大等多种因素造成零件的可靠性降低。     

在航空载荷谱作用下2024铝合金的疲劳行为

研究了在航空载荷谱TWIST作用下2024铝合金的疲劳特性。对航空载荷谱进行简化处理,对比分析了理论推导、MATLAB程序模拟和疲劳试验给出的飞机疲劳寿命预测值,并微观观察疲劳失效断口特征,分析了失效机理。结果表明：理论推导、程序模拟和疲劳试验得到的疲劳寿命预测值分别为163800,158280和134249次飞行循环;程序模拟得到飞机巡航过程中实际阵风载荷和忽略极小波动载荷的疲劳寿命预测值分别为92314和92321次飞行循环;观察疲劳断口可以发现裂纹萌生形核起源于试验件近表面,疲劳裂纹的扩展以沿晶和穿晶两种方式进行,有明显的疲劳条带,在瞬时断裂区呈现韧窝形貌。     

民用飞机气密腹板裂纹研究

民用飞机气密腹板主要承受机舱内部的气密载荷,气密腹板在面外气密载荷循环作用下可能发生疲劳破坏,产生裂纹,为研究气密腹板的疲劳性能,提出了一种裂纹预测分析方法,并通过疲劳试验验证方法的可行性。根据飞机气密腹板结构的传力特征和试验测量结果,确定了气密腹板疲劳典型部位和循环受载严重工况。选取疲劳典型部位腹板格子(包含连接紧固件),以六面体单元为最小单元建立精细有限元模型,进行仿真分析,分析得到裂纹发生位置以及裂纹发生机理和实际检测结果一致。基于细节疲劳额定值(detailed fatigue rating,简称DFR)法和疲劳检查表,进行气密腹板疲劳寿命分析,采用NASGRO软件进行气密腹板裂纹扩展寿命分析,裂纹萌生并扩展到临界裂纹长度的疲劳试验循环次数接近裂纹发现时次数,且理论分析偏保守。     

直升机主桨毂支臂疲劳验证技术研究

主桨毂支臂是直升机复杂关键件承受复杂疲劳载荷的代表之一,疲劳破坏是主要的失效模式。回顾了主桨毂支臂疲劳验证的发展历程,研究了球柔性主桨毂支臂疲劳验证的试验方案设计、正确性检验设计和寿命评定。对球柔性主桨毂支臂进行载荷力系研究、疲劳载荷谱分析研究、低周疲劳试验载荷设计和高周疲劳试验载荷设计,形成低周、高周全尺寸疲劳试验相结合且动态调整的疲劳验证方案,有效验证支臂各疲劳危险部位。     

C-T曲线通用性分析和试验研究

提出了疲劳寿命预腐蚀影响系数曲线(C-T曲线)通用性分析的C值直接对比法和C-T曲线参数统计对比法,并进行相关试验研究,得到了C-T曲线和载荷谱、应力水平以及裂纹尺寸基本无关的结论。C-T曲线是进行腐蚀条件下飞机结构疲劳寿命评定和分析的基础,为验证分析C-T曲线和载荷谱、应力水平以及裂纹尺寸的相关性,从C的定义和分布规律出发,提出了C值直接对比法和C-T曲线参数统计对比法,近似谱、不同恒幅应力水平以及不同指定裂纹尺寸下的预腐蚀疲劳寿命数据均表明了C-T曲线基本具有通用性;并进行了某型飞机结构主梁模拟试件在随机谱及恒幅谱下的预腐蚀疲劳试验,试验结果同样验证了上述结论,从而说明了C-T曲线的通用性。     

航空发动机供油管裂纹失效分析

针对某航空发动机供油管钎焊焊缝边缘出现裂纹而导致的供油管渗油故障,对其断口及源区附近表面进行宏、微观检查,明确了供油管裂纹性质为高周疲劳裂纹,疲劳源区呈沿晶开裂特征。利用能谱分析手段发现裂纹源区存在外来Cu元素,通过对焊缝及开裂部位进行金相分析,发现钎焊料中的Cu元素沿基体晶界发生扩散,导致晶界粗化,在拉应力作用下,Cu与基体形成的脆性相开裂形成沿晶裂纹。晶界粗化和沿晶裂纹是供油管过早发生疲劳开裂的主要原因。建议将Cu基钎料更换为Ag焊料。     

某型钛铝合金航空发动机叶片高温高周振动疲劳实验

以某型钛铝合金航空发动机叶片为研究对象,针对该型叶片高温高周振动疲劳实验时遇到的高温疲劳应力监测、高频激励等问题进行了实验方法研究。采用闭环控制最大应力的方法解决了高温疲劳应力的监测,通过夹具放大设计实现了高频激励,利用辐射加热和电磁振动台完成了温度载荷和振动载荷的综合施加。运用所述的高温高周振动疲劳实验方法,对该型叶片进行了寿命实验。实验的高温疲劳应力控制精度优于±2%,得到该型叶片可靠度为50%的中值疲劳极限是444 MPa,并有效获得了其寿命曲线。该实验方法适合航空发动机叶片高温高周振动疲劳实验,并可为其他航空发动机零部件高温高周疲劳实验提供参考。     

喷丸强化对TC11合金模拟叶片高周疲劳寿命影响的试验

针对三种叶片:钢丸强化、二次强化和未强化的钛合金叶片进行了振动特性测量和高周疲劳对比试验.通过试验结果,结合断口分析,对三种叶片的固有频率、振型阻尼比、高周疲劳极限及裂纹起源等方面进行了对比研究.研究表明:喷丸后叶片1阶振型阻尼比增大40%～50%,高周疲劳极限提高40%以上,叶片的高周疲劳寿命也相应地提高.从强化机理方面分析了高周疲劳极限得到提高的原因.该积累的试验数据及研究成果可为TC11喷丸叶片的高周疲劳工程设计提供参考.