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航空发动机叶片疲劳的损伤力学研究及外物损伤影响

周胜田  
【摘要】: 现代运输和国防需求,促进了民用和军用飞机的快速发展。随着航空工业的快速发展,对燃气涡轮发动机的性能和安全可靠性提出了越来越高的要求。然而,伴随性能的提高,发动机零部件的工作条件更加严峻、恶劣、应力水平更高,从而使结构完整性,安全可靠性成为制约发动机发展的突出问题。 叶片是航空发动机的主要零件之一,其结构和承载状况复杂,特别是转子叶片,薄而长,不仅在高速旋转,且转速多变,并受到气流和燃气的冲击发生振动,位于发动机前部的压气机叶片还可能受到被吸入的砂、石等外物撞击作用。这种转速变化引起的低循环交变应力和高速转动中气流激振导致的高频振动应力,使叶片逐渐损伤,发生故障直至疲劳破坏,叶片的疲劳掉块与折断可能将压气机甚至整台发动机打坏,造成飞机失事,这样的例子时有发生,后果严重。 研究叶片高低周疲劳损伤规律,改进疲劳分析方法提高疲劳损伤评估和寿命预测水平,是航空发动机结构完整性和可靠性研究的基础和重要组成部分。本文基于连续损伤力学理论和疲劳损伤试验,系统地分析和研究了转子叶片在低循环和高循环载荷作用下疲劳损伤问题,并发展了一个完整的压气机转子叶片疲劳损伤力学有限元分析系统,为叶片疲劳研究提供了一个新的途径。此外,对严重影响叶片寿命的外物损伤及其对高周疲劳的影响进行了试验研究和数值分析。本文的主要内容如下: (1)叶片低周疲劳损伤力学模型和分析方法研究。利用已有的观测结果,从疲劳机理方面讨论了损伤力学分析的合理性和优点,根据本文的应变疲劳试验测试,改进了常用的低周疲劳损伤模型,使模型描述的损伤演化规律与试验结果在整个疲劳损伤过程中符合较好。根据钛合金TC4材料低循环损伤演化特点,提出低周疲劳损伤演化分析和寿命预测的简化分析方法,以及通过模拟试件的反演分析研究损伤材料常数的实用方法。 (2)叶片高周疲劳损伤力学模型和分析方法研究。根据高周疲劳损伤机理,推导高周疲劳损伤演化方程,将低周疲劳损伤分析中提出的方法,推广应用于振动应力引起的高周疲劳。 (3)对于压气机叶片常用材料TC4标准试件,在4种不同应变幅值下进行应变疲劳损伤的试验观测,得到应变软化、损伤发展和疲劳破坏过程特点,以及滞后回线变化规律和极限损伤变量,为损伤模型和分析方法研究及数值计算提供试验数据和基本参数。 (4)叶片高、低周疲劳损伤力学分析软件系统。为了给本文研究和实际应用提供分析手段和研究平台,利用三维20节点六面体等参单元,自编了一个叶片疲劳损伤力学有限元分析软件系统(Fortran语言,约10000句),具有准静态弹塑性分析、振动特性和响应分析、低周和高周疲劳损伤演化分析及寿命预测等功能和较好的前后处理。提出了适用于叶片疲劳分析的循环弹塑性应力、振动应力和损伤演化计算方法,对程序进行了全面考核。 (5)典型叶片的疲劳损伤分析。利用上述模型、方法和软件,对于典型的实际压气机叶片进行了系列分析,包括给定载荷谱块下的循环弹塑性应力、动频和静频、振动应力、疲劳损伤场和演化以及疲劳寿命,对结果和变化规律进行了分析讨论。实际算例证明了本文改进的损伤模型,提出的简化分析方法和开发的专用软件是有效的。 (6)叶片前缘的外物损伤及对高周疲劳影响研究。用自制自由落体冲击试验装置进行模拟叶片前缘落锤冲击试验,模拟硬物颗粒撞冲前缘引起的损伤,得到冲击能量与缺口深度的关系。在不同循环应力幅值下,对冲击后试件进行了应力疲劳试验,并对外物损伤模拟和疲劳寿命再分析,给出剩余寿命随应力幅值的变化规律。


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