航空发动机叶片疲劳的损伤力学研究及外物损伤影响

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。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 叶片疲劳研究的重要意义

1.2 研究现状与发展

1.2.1 新一代航空发动机的要求

1.2.2 叶片疲劳研究状况

1.2.3 叶片疲劳研究方法和问题

1.3 损伤力学及其在疲劳研究中的作用

1.3.1 损伤力学概念

1.3.2 损伤力学的发展历史

1.3.3 损伤力学在疲劳分析中的应用

1.4 叶片的外物损伤

1.4.1 外物冲击损伤研究的重要性

1.4.2 国内外FOD研究状况

1.4.3 FOD研究方法和问题

1.5 本文的研究内容、目的和背景

第二章 转子叶片循环弹塑性应力分析

2.1 概述

2.2 压气机转子叶片的结构、载荷、坐标系

2.2.1 结构

2.2.2 载荷

2.2.3 坐标系

2.3 平衡方程及其离散形式

2.3.1 惯性力

2.3.2 几何关系

2.3.3 弹塑性本构关系

2.3.4 叶片准静态平衡方程及其离散形式

2.4 20节点三维等参单元

2.5 惯性力和气动力载荷向量

2.6 叶片网格生成方法

2.6.1 概述

2.6.2 结构特点和几何数据

2.6.3 子块网格及集成

2.6.4 应用算例

2.7 后处理方法

2.8 叶片准静态弹塑性循环应力应变有限元分析

2.8.1 载荷谱，载荷因子和步长

2.8.2 接触条件处理，求解方法

2.9 弹塑性分析程序

2.9.1 程序概述

2.9.2 程序简介

2.9.3 程序结构

2.10 考核算例

2.11 叶片弹塑性分析算例

2.11.1 叶片数据，载荷工况

2.11.2 计算结果

2.12 小结

第三章 叶片低周疲劳损伤和寿命分析

3.1 概述

3.2 损伤力学概念及金属的疲劳损伤

3.2.1 损伤力学基本概念

3.2.2 疲劳损伤的细观力学观测

3.3 损伤理论基本方程

3.2.1 损伤本构方程

3.2.2 损伤演化方程

3.4 低周疲劳的损伤力学分析

3.4.1 低周疲劳的基本参数，局部应力应变法

3.4.2 Lemaitre低周疲劳损伤理论及其改进

3.4.3 低周疲劳损伤的简化分析方法

3.4.4 疲劳损伤分析程序模块

3.4.5 验证

3.5 叶片低周疲劳损伤演化分析及寿命预测

3.5.1 低周疲劳损伤常数S

3.5.2 损伤演化和寿命计算结果

3.6 小结

第四章 TC4材料应变疲劳损伤试验研究

4.1 概述

4.2 试验目的、试件和试验过程

4.3 试验结果

4.3.1 弹性模量

4.3.2 疲劳寿命

4.3.3 循环软化

4.3.4 滞后回线

4.3.5 损伤演化，门槛值和极限值

4.3.6 试验结果分析

4.4 结论

第五章 叶片的振动和振动响应分析

5.1 概述

5.2 叶片自由振动有限元方程及求解

5.2.1 自由振动方程

5.2.2 自由振动的求解——子空间迭代法

5.3 叶片振动响应分析

5.3.1 振动响应方程

5.3.2 稳态振动响应求解方法

5.4 振动和响应分析模块，考核算例

5.5 叶片的静频、动频和振动应力

5.6 小结

第六章 叶片高周疲劳损伤分析和寿命预测

6.1 概述

6.2 高周疲劳的损伤力学模型和简化分析方法

6.2.1 高周疲劳寿命与循环应力的关系

6.2.2 高周疲劳损伤演化与寿命预测

6.3 叶片高、低周疲劳损伤分析流程

6.4 高、低周疲劳损伤耦合影响

6.4.1 复合疲劳概念

6.4.2 复合疲劳寿命的损伤力学分析

6.5 小结

第七章 外物损伤的试验研究与数值分析

7.1 概述

7.2 试验目的和试件

7.3 落锤冲击试验

7.4 应力疲劳试验

7.5 叶片冲击损伤的有限元分析理论和方法

7.6 叶片外物损伤的有限元分析及剩余寿命预测

7.8 小结

第八章 结论

参考文献

致谢

作者简介

攻读博士学位期间发表的论文