航空發(fā)動機葉片疲勞的損傷力學研究及外物損傷影響.pdf

1、現(xiàn)代運輸和國防需求，促進了民用和軍用飛機的快速發(fā)展。隨著航空工業(yè)的快速發(fā)展，對燃氣渦輪發(fā)動機的性能和安全可靠性提出了越來越高的要求。然而，伴隨性能的提高，發(fā)動機零部件的工作條件更加嚴峻、惡劣、應力水平更高，從而使結(jié)構(gòu)完整性，安全可靠性成為制約發(fā)動機發(fā)展的突出問題。
　　 葉片是航空發(fā)動機的主要零件之一，其結(jié)構(gòu)和承載狀況復雜，特別是轉(zhuǎn)子葉片，薄而長，不僅在高速旋轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)速多變，并受到氣流和燃氣的沖擊發(fā)生振動，位于發(fā)動機前部的壓氣機

2、葉片還可能受到被吸入的砂、石等外物撞擊作用。這種轉(zhuǎn)速變化引起的低循環(huán)交變應力和高速轉(zhuǎn)動中氣流激振導致的高頻振動應力，使葉片逐漸損傷，發(fā)生故障直至疲勞破壞，葉片的疲勞掉塊與折斷可能將壓氣機甚至整臺發(fā)動機打壞，造成飛機失事，這樣的例子時有發(fā)生，后果嚴重。
　　 研究葉片高低周疲勞損傷規(guī)律，改進疲勞分析方法提高疲勞損傷評估和壽命預測水平，是航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)完整性和可靠性研究的基礎和重要組成部分。本文基于連續(xù)損傷力學理論和疲勞損傷試驗，系

3、統(tǒng)地分析和研究了轉(zhuǎn)子葉片在低循環(huán)和高循環(huán)載荷作用下疲勞損傷問題，并發(fā)展了一個完整的壓氣機轉(zhuǎn)子葉片疲勞損傷力學有限元分析系統(tǒng)，為葉片疲勞研究提供了一個新的途徑。此外，對嚴重影響葉片壽命的外物損傷及其對高周疲勞的影響進行了試驗研究和數(shù)值分析。本文的主要內(nèi)容如下：
　　 (1)葉片低周疲勞損傷力學模型和分析方法研究。利用已有的觀測結(jié)果，從疲勞機理方面討論了損傷力學分析的合理性和優(yōu)點，根據(jù)本文的應變疲勞試驗測試，改進了常用的低周疲勞損傷

4、模型，使模型描述的損傷演化規(guī)律與試驗結(jié)果在整個疲勞損傷過程中符合較好。根據(jù)鈦合金TC4材料低循環(huán)損傷演化特點，提出低周疲勞損傷演化分析和壽命預測的簡化分析方法，以及通過模擬試件的反演分析研究損傷材料常數(shù)的實用方法。
　　 (2)葉片高周疲勞損傷力學模型和分析方法研究。根據(jù)高周疲勞損傷機理，推導高周疲勞損傷演化方程，將低周疲勞損傷分析中提出的方法，推廣應用于振動應力引起的高周疲勞。
　　 (3)對于壓氣機葉片常用材料TC4

5、標準試件，在4種不同應變幅值下進行應變疲勞損傷的試驗觀測，得到應變軟化、損傷發(fā)展和疲勞破壞過程特點，以及滯后回線變化規(guī)律和極限損傷變量，為損傷模型和分析方法研究及數(shù)值計算提供試驗數(shù)據(jù)和基本參數(shù)。
　　 (4)葉片高、低周疲勞損傷力學分析軟件系統(tǒng)。為了給本文研究和實際應用提供分析手段和研究平臺，利用三維20節(jié)點六面體等參單元，自編了一個葉片疲勞損傷力學有限元分析軟件系統(tǒng)（Fortran語言，約10000句），具有準靜態(tài)彈塑性分析、

6、振動特性和響應分析、低周和高周疲勞損傷演化分析及壽命預測等功能和較好的前后處理。提出了適用于葉片疲勞分析的循環(huán)彈塑性應力、振動應力和損傷演化計算方法，對程序進行了全面考核。
　　 (5)典型葉片的疲勞損傷分析。利用上述模型、方法和軟件，對于典型的實際壓氣機葉片進行了系列分析，包括給定載荷譜塊下的循環(huán)彈塑性應力、動頻和靜頻、振動應力、疲勞損傷場和演化以及疲勞壽命，對結(jié)果和變化規(guī)律進行了分析討論。實際算例證明了本文改進的損傷模型，提