航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片疲勞的損傷力學(xué)研究及外物損傷影響.pdf

1、現(xiàn)代運(yùn)輸和國(guó)防需求，促進(jìn)了民用和軍用飛機(jī)的快速發(fā)展。隨著航空工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和安全可靠性提出了越來(lái)越高的要求。然而，伴隨性能的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的工作條件更加嚴(yán)峻、惡劣、應(yīng)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(dòng)機(jī)發(fā)展的突出問(wèn)題。
　　 葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要零件之一，其結(jié)構(gòu)和承載狀況復(fù)雜，特別是轉(zhuǎn)子葉片，薄而長(zhǎng)，不僅在高速旋轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)速多變，并受到氣流和燃?xì)獾臎_擊發(fā)生振動(dòng)，位于發(fā)動(dòng)機(jī)前部的壓氣機(jī)

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(yīng)力和高速轉(zhuǎn)動(dòng)中氣流激振導(dǎo)致的高頻振動(dòng)應(yīng)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(jī)甚至整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)打壞，造成飛機(jī)失事，這樣的例子時(shí)有發(fā)生，后果嚴(yán)重。
　　 研究葉片高低周疲勞損傷規(guī)律，改進(jìn)疲勞分析方法提高疲勞損傷評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)水平，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性和可靠性研究的基礎(chǔ)和重要組成部分。本文基于連續(xù)損傷力學(xué)理論和疲勞損傷試驗(yàn)，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(wèn)題，并發(fā)展了一個(gè)完整的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片疲勞損傷力學(xué)有限元分析系統(tǒng)，為葉片疲勞研究提供了一個(gè)新的途徑。此外，對(duì)嚴(yán)重影響葉片壽命的外物損傷及其對(duì)高周疲勞的影響進(jìn)行了試驗(yàn)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(xué)模型和分析方法研究。利用已有的觀測(cè)結(jié)果，從疲勞機(jī)理方面討論了損傷力學(xué)分析的合理性和優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)本文的應(yīng)變疲勞試驗(yàn)測(cè)試，改進(jìn)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(yàn)結(jié)果在整個(gè)疲勞損傷過(guò)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(diǎn)，提出低周疲勞損傷演化分析和壽命預(yù)測(cè)的簡(jiǎn)化分析方法，以及通過(guò)模擬試件的反演分析研究損傷材料常數(shù)的實(shí)用方法。
　　 (2)葉片高周疲勞損傷力學(xué)模型和分析方法研究。根據(jù)高周疲勞損傷機(jī)理，推導(dǎo)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(yīng)用于振動(dòng)應(yīng)力引起的高周疲勞。
　　 (3)對(duì)于壓氣機(jī)葉片常用材料TC4

5、標(biāo)準(zhǔn)試件，在4種不同應(yīng)變幅值下進(jìn)行應(yīng)變疲勞損傷的試驗(yàn)觀測(cè)，得到應(yīng)變軟化、損傷發(fā)展和疲勞破壞過(guò)程特點(diǎn)，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(jì)算提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和基本參數(shù)。
　　 (4)葉片高、低周疲勞損傷力學(xué)分析軟件系統(tǒng)。為了給本文研究和實(shí)際應(yīng)用提供分析手段和研究平臺(tái)，利用三維20節(jié)點(diǎn)六面體等參單元，自編了一個(gè)葉片疲勞損傷力學(xué)有限元分析軟件系統(tǒng)（Fortran語(yǔ)言，約10000句），具有準(zhǔn)靜態(tài)彈塑性分析、

6、振動(dòng)特性和響應(yīng)分析、低周和高周疲勞損傷演化分析及壽命預(yù)測(cè)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(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力和損傷演化計(jì)算方法，對(duì)程序進(jìn)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(duì)于典型的實(shí)際壓氣機(jī)葉片進(jìn)行了系列分析，包括給定載荷譜塊下的循環(huán)彈塑性應(yīng)力、動(dòng)頻和靜頻、振動(dòng)應(yīng)力、疲勞損傷場(chǎng)和演化以及疲勞壽命，對(duì)結(jié)果和變化規(guī)律進(jìn)行了分析討論。實(shí)際算例證明了本文改進(jìn)的損傷模型，提