基于整机试车的涡轮叶片高低循环复合疲劳试验技术

针对航空发动机涡轮叶片同时承受高循环载荷和低循环载荷的特征,以小推力涡喷发动机为研究对象,搭建了基于引电器的涡轮叶片动应力测量系统,利用数值模拟和试验测试结合的方法,实现了高度为30mm的涡轮叶片在40000r/min转速、950℃环境温度条件下的动应力测量,并以此为基础发展了整机高低循环复合疲劳试验方法,开展了高压涡轮叶片高低复合疲劳整机试验。研究结果表明,该型发动机转速在34920r/min时,叶片高循环振动应力达到112.7MPa,带来了涡轮叶片的高循环疲劳损伤且是引起涡轮叶片产生裂纹的主要因素,低循环疲劳载荷是导致裂纹扩展的主要因素,两者综合作用会显著影响涡轮叶片寿命。      

适用于任意应变比的应变寿命新模型

为了提高非对称应变寿命模型预估轮盘疲劳寿命的精度,通过对不同应变比下的试验数据进行多元线性拟合,建立了一种适用于试验数据应变比覆盖范围内任意应变比条件下的应变寿命新模型。结合多种材料的疲劳试验结果,对包含本模型在内的四种常用模型预测结果进行了对比分析。结果显示Morrow弹性修正模型和Morrow-Harford模型的预测结果不稳定;SWT模型预测精度一般,但稳定性较好。本文新模型对CC450不锈钢和SAE1045钢的预测结果基本在2倍分散带内;对GH4133光滑试棒的预估中位寿命比试验中位寿命仅高0.25%,对GH4133中心孔拉伸试件的预估中位寿命比试验中位寿命小3.67%,展示出很好的考虑应变比影响的疲劳寿命预测能力。     

激励条件对发动机转子叶片疲劳试验响应影响规律

研究了航空发动机转子叶片振动试验中位移激励方向与叶片叶尖弦向之间夹角变化对叶片最大振幅、应力分布等的影响规律。数值分析和试验测试数据表明,叶片刚性固定时,叶片安装位置与激励矢量之间的位置相对关系对振型、表面应力分布无显著影响,一阶振型下,叶片表面展向应力分量占主导;叶片安装位置与激励矢量之间的位置相对关系影响激励与响应之间的传递函数,存在最佳的位置,使得叶尖振幅一定时,激励能量最小。研究结果对提高转子叶片疲劳性能评价技术具有参考价值。     

TC17合金弯曲振动超高周疲劳试验

针对航空发动机压气机叶片用TC17合金的超高周疲劳性能数据需求,自主设计超高频板材试样并在电动振动台上开展弯曲振动疲劳测试,获取了109循环数范围内的超高周疲劳S-N曲线,并通过升降法得到了该合金109循环数对应的疲劳极限强度,在实际测试过程中有效激振频率达到1756 Hz左右。此外,与相同材料的常规疲劳试验结果进行了对比分析。结果表明:超高频弯曲振动疲劳试验结果与常规疲劳试验结果的变化趋势保持一致,尤其是在超高周寿命区间的测试结果的接近程度较高;超高频弯曲振动试验方法在提高测试效率的同时保证了结果的可靠性。     

滚压强化表面状态特征的疲劳演化及抗疲劳机制研究进展

作为机械表面强化技术之一,滚压强化工艺能够有效提高材料的疲劳性能、耐磨损性能、耐腐蚀性能以及损伤容限性能,现已被应用于航空发动机叶片等的表面改性处理。首先,对滚压强化的基本原理及优点进行了介绍。其次,鉴于表面状态特征演化对疲劳性能的重要影响及越来越多的学者对此问题的重视与研究,分别综述了滚压强化工艺的表面状态特征（残余应力、显微硬度和微观组织）的疲劳演化、抗疲劳机制以及疲劳寿命预测方面的研究进展。然后,并与其他工艺的研究进展进行横向对比分析,总结了滚压强化工艺当前研究存在的不足。最后,对滚压强化工艺今后的研究内容与发展方向进行了展望。     

涡轮冷却叶片寿命可靠性分析参数化仿真平台

目前,涡轮冷却叶片等复杂结构的多模式寿命可靠性分析中存在各功能模块的集成与管理不成体系、参数化联合调用技术不完善的工程应用问题。针对这些问题,完善了随机不确定性下涡轮冷却叶片多模式寿命可靠性分析的工程化方法,搭建了多模式寿命可靠性分析的参数化、多软件联合仿真平台,为某型号叶片寿命可靠性分析提供合理的工程化方法及高效便捷的自动化实现工具。主要工作包括：一建立了不确定性环境下含孔、肋及空腔复杂结构网格划分和结构有限元仿真的参数化方法,实现了随机变量不同取值下仿真的自动执行,解决了可靠性理论方法应用至复杂工程结构的瓶颈问题;二在经回归处理的概率寿命曲线中考虑温度插值及多失效模式串联系统,拓展了概率寿命曲线的应用范围,使得所建涡轮叶片寿命可靠性模型更符合实际;三提出了可靠性分析数字模拟过程中嵌入包括有限元结构分析和疲劳寿命极限状态面两方面的双层自适应代理模型方法,该自适应策略可在保证寿命可靠性分析精度的基础上提高效率。通过所建平台在某型号叶片上的算例分析及与蒙特卡洛法参考解的对比,验证了所提多模式系统寿命可靠性分析工程化方法的高效和准确性及仿真平台的实用性。     

应变控制下NEPE推进剂非线性疲劳损伤

为研究高能硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂的非线性疲劳损伤特性,基于损伤力学和黏弹性理论,建立了一种非线性疲劳损伤模型.该模型考虑了材料疲劳过程中刚度衰减的特征.建立的疲劳损伤模型,通过动态热机械分析仪(DMA)进行5组不同应变水平下的疲劳实验,获得模型参数,并对模型进行验证,利用电荷耦合器件图像传感器(CCD)进行显微观察,分析了应变加载历史对NEPE推进剂微观上的影响.结果表明:提出的损伤演化模型能够很好地描述NEPE推进剂应变控制下的非线性疲劳损伤;定应变往复拉伸造成了推进剂颗粒与基体的脱湿,在循环初期脱湿速度较快,随着循环周期增加,脱湿程度逐渐趋于稳定.      

新型铝锂合金AA2198高频疲劳红外热耗散演化规律

利用红外成像技术开展新型铝锂合金AA2198高频疲劳（100 Hz）热耗散演化规律研究,发现不同应力条件下疲劳热耗散呈现上下波动特征,试件平均温度随着加载应力的提升有增加的趋势,但升温现象并不明显,不同应力条件下温度变化幅值小于1℃。疲劳试验初期和疲劳断裂时伴随着急剧升温过程,提出的能量转化理论模型合理解释了疲劳热耗散演化过程。研究还发现,喷丸强化在试件表面形成的残余压应力有助于激发疲劳裂纹的闭合效应,对试件的升温过程具有抑制作用。     

比例加载下应力幅比对2A12-T4疲劳寿命的影响

采用2A12-T4铝合金漏斗形试件,针对不同拉扭应力幅比,进行了比例加载下多轴高周疲劳寿命试验,研究了不同应力幅比对多轴高周疲劳寿命的影响.针对试验结果,采用3种常用的多轴高周疲劳寿命预测模型,包括等效应力准则、应力不变量准则、临界面准则进行了预测.结果表明:在相同的Von-Mises等效应力下,随着扭转应力幅与拉压应力幅比值的增大,疲劳寿命逐渐升高.等效应力准则的预测结果或过于危险,或过于安全;应力不变量准则的预测结果认为应力幅比的变化对疲劳失效没有影响,与试验结果不符;临界面准则的预测结果优于其他准则.