兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (6): 1713-1721.doi: 10.12382/bgxb.2022.0109
杨硕1,2, 杜天玮1, 张晓鹏1, 马梁3,*(), 张桂昌3
收稿日期:
2022-03-01
上线日期:
2023-06-30
通讯作者:
基金资助:
YANG Shuo1,2, DU Tianwei1, ZHANG Xiaopeng1, MA Liang3,*(), ZHANG Guichang3
Received:
2022-03-01
Online:
2023-06-30
摘要:
为研究外物损伤(FOD)对航空发动机叶片的疲劳裂纹扩展影响,基于落锤冲击试验系统,在不同冲击能量下进行TC4钛合金试件的FOD模拟试验及振动疲劳试验,获得损伤试件的裂纹长度与疲劳寿命的关系,并拟合疲劳断口裂纹形貌参数,建立疲劳裂纹扩展寿命预测计算模型。研究结果表明:损伤缺口的深度和宽度随冲击能量的减小而非线性的减小。当冲击能量较大时,试件的疲劳裂纹先沿弯曲微裂纹扩展,后沿直线扩展;当冲击能量较小时,试件疲劳裂纹保持直线扩展。裂纹的萌生寿命与冲击能量、应力水平二者相关。
杨硕, 杜天玮, 张晓鹏, 马梁, 张桂昌. 外物损伤对叶片振动疲劳裂纹扩展性能的影响[J]. 兵工学报, 2023, 44(6): 1713-1721.
YANG Shuo, DU Tianwei, ZHANG Xiaopeng, MA Liang, ZHANG Guichang. Effect of Foreign Object Damage on Vibration Fatigue Crack Propagation of Blades[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(6): 1713-1721.
屈服应力/ MPa | 极限应力/ MPa | 弹性模量/ GPa | 密度/ (kg·m-3) | 泊松比 |
---|---|---|---|---|
881 | 1025 | 112 | 4420 | 0.34 |
表2 TC4钛合金力学参数
Table 2 Mechanical properties of TC4 titanium alloy
屈服应力/ MPa | 极限应力/ MPa | 弹性模量/ GPa | 密度/ (kg·m-3) | 泊松比 |
---|---|---|---|---|
881 | 1025 | 112 | 4420 | 0.34 |
试件编号 | E/J | h/m |
---|---|---|
H45-1 | 4.52 | 0.45 |
H45-2 | ||
H35-3 | 3.52 | 0.35 |
H35-4 | ||
H25-5 | 2.51 | 0.25 |
H25-6 |
表3 冲击试验方案
Table 3 Impact test scheme
试件编号 | E/J | h/m |
---|---|---|
H45-1 | 4.52 | 0.45 |
H45-2 | ||
H35-3 | 3.52 | 0.35 |
H35-4 | ||
H25-5 | 2.51 | 0.25 |
H25-6 |
试件编号 | h/m | E/J | x/mm | y/mm |
---|---|---|---|---|
H45-1 | 0.45 | 4.52 | 1.56 | 0.77 |
H45-2 | 0.45 | 4.52 | 1.58 | 0.74 |
H35-3 | 0.35 | 3.52 | 1.44 | 0.63 |
H35-4 | 0.35 | 3.52 | 1.39 | 0.62 |
H25-5 | 0.25 | 2.51 | 1.08 | 0.31 |
H25-6 | 0.25 | 2.51 | 1.15 | 0.35 |
表5 不同冲击能量下的缺口尺寸
Table 5 Notch depths x and widths y for different energies
试件编号 | h/m | E/J | x/mm | y/mm |
---|---|---|---|---|
H45-1 | 0.45 | 4.52 | 1.56 | 0.77 |
H45-2 | 0.45 | 4.52 | 1.58 | 0.74 |
H35-3 | 0.35 | 3.52 | 1.44 | 0.63 |
H35-4 | 0.35 | 3.52 | 1.39 | 0.62 |
H25-5 | 0.25 | 2.51 | 1.08 | 0.31 |
H25-6 | 0.25 | 2.51 | 1.15 | 0.35 |
试件编号 | 2A/mm | 表面应力/MPa | fi/Hz | ff/Hz | Ni/次 | Nf/次 | Np/次 | ci/mm | cf/mm |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
H45-1 | 12 | 208 | 92.1 | 87.4 | 42057 | 124057 | 82000 | 0.4 | 8.1 |
H45-2 | 11 | 191 | 98.9 | 90.9 | 54054 | 144063 | 90009 | 0.4 | 5.9 |
H35-3 | 11 | 191 | 92.9 | 86.6 | 145047 | 236047 | 91000 | 0.5 | 8.0 |
H35-4 | 12 | 208 | 97.8 | 91.4 | 170045 | 226059 | 56014 | 0.4 | 7.6 |
H25-5 | 18 | 309 | 96.7 | 92.7 | 20066 | 48053 | 27987 | 1.0 | 7.5 |
H25-6 | 15 | 258 | 95.8 | 91.8 | 25488 | 70066 | 44578 | 1.0 | 7.3 |
表6 裂纹扩展寿命试验结果
Table 6 Test results of crack growth life
试件编号 | 2A/mm | 表面应力/MPa | fi/Hz | ff/Hz | Ni/次 | Nf/次 | Np/次 | ci/mm | cf/mm |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
H45-1 | 12 | 208 | 92.1 | 87.4 | 42057 | 124057 | 82000 | 0.4 | 8.1 |
H45-2 | 11 | 191 | 98.9 | 90.9 | 54054 | 144063 | 90009 | 0.4 | 5.9 |
H35-3 | 11 | 191 | 92.9 | 86.6 | 145047 | 236047 | 91000 | 0.5 | 8.0 |
H35-4 | 12 | 208 | 97.8 | 91.4 | 170045 | 226059 | 56014 | 0.4 | 7.6 |
H25-5 | 18 | 309 | 96.7 | 92.7 | 20066 | 48053 | 27987 | 1.0 | 7.5 |
H25-6 | 15 | 258 | 95.8 | 91.8 | 25488 | 70066 | 44578 | 1.0 | 7.3 |
[1] |
doi: 10.1007/s11668-016-0129-7 URL |
[2] |
关玉璞, 陈伟, 高德平. 航空发动机叶片外物损伤研究现状[J]. 航空学报, 2007, 28(4): 851-857.
|
|
|
[3] |
马超, 王玉娜, 武耀罡, 等. 航空发动机风扇叶片硬物冲击损伤特征[J]. 航空动力学报, 2017, 32(5): 1105-1111.
|
|
|
[4] |
舒畅, 程铭, 许煜, 等. 航空发动机压气机叶片外物损伤规律研究[J]. 机械工程学报, 2019, 55(13): 87-94.
doi: 10.3901/JME.2019.13.087 |
doi: 10.3901/JME.2019.13.087 |
|
[5] |
胡绪腾, 宋迎东. 外物损伤对风扇/压气机叶片高循环疲劳性能影响的研究[J]. 航空发动机, 2017, 38(3): 18-23.
|
|
|
[6] |
doi: 10.1016/j.engfailanal.2005.12.002 URL |
[7] |
李静, 孙强, 李春旺, 等. 某型航空发动机压气机叶片振动疲劳寿命研究[J]. 应用力学学报, 2011, 28(2): 189-193.
|
|
|
[8] |
|
[9] |
于霞, 张卫民, 邱忠超, 等. 航空发动机涡轮叶片裂纹检测信号特征提取[J]. 兵工学报, 2014, 35(8): 1267-1274.
doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2014.08.020 |
doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2014.08.020 |
|
[10] |
马楠楠, 陶春虎, 何玉怀, 等. 航空发动机叶片多轴疲劳试验研究进展[J]. 航空材料学报, 2012, 32(6): 44-49.
|
|
|
[11] |
|
[12] |
doi: 10.1016/j.engfailanal.2011.03.003 URL |
[13] |
|
[14] |
舒畅, 程铭, 许煜, 等. 不同金属硬物冲击航空发动机叶片损伤研究[J]. 航空动力学报, 2020, 35(1): 18-29.
|
|
|
[15] |
胡绪腾, 贾旭, 朱自佳, 等. 凹坑型硬物损伤对TC4材料疲劳强度的影响[J]. 航空动力学报, 2018, 33(4): 969-979.
|
|
|
[16] |
贾旭, 胡绪腾, 朱自佳, 等. FOD缺口型损伤对TC4疲劳极限强度的影响[J]. 航空动力学报, 2018, 33(7): 1584-1594.
|
|
|
[17] |
杨百愚, 柴桥, 李春旺, 等. 外物撞击航空发动机转子叶片速度估算[J]. 航空动力学报, 2017, 32(12): 2843-2846.
|
|
|
[18] |
doi: 10.1007/s11340-015-0067-4 URL |
[19] |
尹冬梅, 钱林方. 叶片受软体和硬体外物撞击的损伤分析[J]. 振动与冲击, 2009, 28(3): 6-9.
|
|
|
[20] |
包珍强, 胡绪腾, 宋迎东. 不同冲击角度外物损伤对TC4钛合金高循环疲劳强度的影响[J]. 航空动力学报, 2015, 30(9): 2226-2233.
|
|
|
[21] |
doi: 10.1016/j.msea.2010.11.045 URL |
[22] |
柴桥, 李均盛, 杨百愚, 等. 外物形状对航空发动机压气机转子叶片撞击损伤的影响[J]. 应用力学学报, 2014, 31(6):825-829.
|
|
|
[23] |
尹冬梅, 钱林方, 栗保明, 等. 外物形状对发动机叶片中残余应力场的影响分析[J]. 机械强度, 2012, 34(3): 355-360.
|
|
|
[24] |
doi: 10.1016/j.msea.2012.09.097 URL |
[25] |
潘辉, 赵振华, 陈伟. 航空发动机叶片外物损伤试验模拟方法[J]. 航空发动机, 2012, 38(1): 51-54.
|
|
|
[26] |
发动机叶片及材料振动疲劳试验方法: HB 5277—1984[S]. 北京: 航空工业部, 1984.
|
Aero-engine blade and material vibrated fatigue test method: HB 5277—1984[S]. Beijing: Ministry of Aeronautics Industry, 1984. (in Chinese)
|
|
[27] |
|
[28] |
傅祥炯. 结构疲劳与断裂[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 1995: 138.
|
|
|
[29] |
|
[1] | 高峰, 张泽. 含装药缺陷的固体火箭发动机性能评估综述[J]. 兵工学报, 2021, 42(8): 1789-1802. |
[2] | 刘计划, 赵宏立, 何昌辉, 靳建伟, 张邹邹, 王琼林, 赵宝明. 冲击载荷作用下典型发射药的弹性模量分析方法[J]. 兵工学报, 2021, 42(2): 289-296. |
[3] | 段春争, 刘玉敏, 孙伟, 车明帆. 增强颗粒对切削SiCp/Al复合材料切屑形成过程的影响机理[J]. 兵工学报, 2019, 40(1): 208-218. |
[4] | 张晓颖, 李胜杰, 李志强. 爆炸载荷作用下夹层玻璃动态响应的数值模拟[J]. 兵工学报, 2018, 39(7): 1379-1388. |
[5] | 黄涛, 刘志兵, 王西彬, 潘霖, 闫正虎, 冷寿阳. 刀轴侧倾角对薄壁叶片加工变形的影响[J]. 兵工学报, 2018, 39(3): 577-583. |
[6] | 王增全, 王正, 兰银在, 陈泽忠, 侯新荣. 某型车用柴油机机体缝合螺栓的可靠性增长研究[J]. 兵工学报, 2017, 38(3): 433-439. |
[7] | 罗毅, 刘彦, 黄风雷. 成型炸药滑动摩擦系数的测试与修正[J]. 兵工学报, 2017, 38(10): 1926-1932. |
[8] | 金英连, 任杰, 冯伟博, 黎建军, 王斌锐. 仿尺蠖机器人曲面爬行步态分析与中枢模式发生器规划[J]. 兵工学报, 2016, 37(6): 1104-1110. |
[9] | 苗润, 王伟力, 宋杨. TC4钛合金动态II型裂纹扩展速度与加载速度的关系研究[J]. 兵工学报, 2016, 37(12): 2331-2339. |
[10] | 闫清东, 穆洪斌, 魏巍, 刘树成. 双循环圆液力缓速器叶形参数优化设计[J]. 兵工学报, 2015, 36(3): 385-390. |
[11] | 于霞, 张卫民, 邱忠超, 陈国龙, 赵敦慧. 航空发动机涡轮叶片裂纹检测信号特征提取[J]. 兵工学报, 2014, 35(8): 1267-1274. |
[12] | 周清春, 鞠玉涛, 韦震, 周长省. 端羟基聚丁二烯推进剂/衬层脱粘的断裂机理与断裂能获取研究[J]. 兵工学报, 2014, 35(7): 990-995. |
[13] | 高红俐,张立彬,姜伟,周寅. 电磁谐振式疲劳裂纹扩展试验固有频率跟踪系统[J]. 兵工学报, 2013, 34(7): 896-903. |
[14] | 陈吉生, 鄂大辛, 张敬文. 1Cr18Ni9Ti 管材拉伸断裂过程中裂纹扩展的研究[J]. 兵工学报, 2013, 34(7): 865-868. |
[15] | 李魁武, 宁变芳, 曾志银, 王在森, 张军岭. 基于裂纹形成及扩展的火炮闩体寿命研究[J]. 兵工学报, 2013, 34(3): 289-293. |
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