□ 田 齊 □ 張振宇 □ 李 季

中國(guó)航發(fā)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司 西安 710021

1 試驗(yàn)原理

葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵件,所處的工作環(huán)境十分復(fù)雜,會(huì)受到較高的離心載荷、氣動(dòng)載荷、高溫載荷、聲學(xué)載荷、機(jī)械振動(dòng)載荷的影響,靜動(dòng)應(yīng)力均較大。由于振動(dòng)的影響,葉片往往會(huì)產(chǎn)生高周疲勞,引發(fā)裂紋,甚至斷裂,嚴(yán)重影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性。阻尼臺(tái)常用于提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的高周疲勞可靠性,其加工質(zhì)量及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性對(duì)于葉片的可靠性和疲勞壽命而言至關(guān)重要。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的疲勞壽命和疲勞強(qiáng)度一般需要通過(guò)試驗(yàn)方法獲取。試驗(yàn)時(shí),利用激振設(shè)備使葉片在某階固有頻率下產(chǎn)生共振,從而承受振動(dòng)應(yīng)力,達(dá)到考核葉片強(qiáng)度的目的。對(duì)于在外場(chǎng)使用時(shí)出現(xiàn)斷裂故障的葉片,往往需要定點(diǎn)考核某些局部位置,因此需要設(shè)計(jì)合理的試驗(yàn)方案,使載荷準(zhǔn)確地加載至預(yù)定部位,從而達(dá)到故障復(fù)現(xiàn)和進(jìn)行改進(jìn)驗(yàn)證的目的。

2 故障情況

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片在外場(chǎng)使用時(shí)發(fā)生斷裂故障,斷口分析后判斷原因?yàn)槠诹鸭y,起始于葉盆側(cè)阻尼臺(tái)與葉身轉(zhuǎn)接處。對(duì)工藝過(guò)程復(fù)查后發(fā)現(xiàn),該葉片在進(jìn)行阻尼臺(tái)工作面耐磨涂層焊接時(shí),由于工藝參數(shù)控制不當(dāng),導(dǎo)致阻尼臺(tái)前緣與葉身轉(zhuǎn)接處發(fā)生電擊傷,燒傷葉片。為驗(yàn)證電擊傷對(duì)葉片疲勞強(qiáng)度的影響,需要在振動(dòng)環(huán)境下對(duì)正常葉片與燒傷葉片進(jìn)行疲勞強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)方案

阻尼臺(tái)位于葉身上半部,根據(jù)以往葉片疲勞試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn),僅固定榫頭在各階振型下都很難將載荷施加至阻尼臺(tái)根部,并且很難實(shí)現(xiàn)高應(yīng)力加載,無(wú)法對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行考核。采用榫頭和阻尼臺(tái)同時(shí)固持的方式,可以形成以阻尼臺(tái)為固持點(diǎn)的振型,比較容易實(shí)現(xiàn)對(duì)阻尼臺(tái)施加振動(dòng)載荷。

按照擬定的試驗(yàn)固持方式,采用ANSYS有限元分析軟件開(kāi)展葉片模態(tài)計(jì)算。計(jì)算表明,葉片在一階扭轉(zhuǎn)振型下的最大應(yīng)力區(qū)位于葉盆側(cè)阻尼臺(tái)前緣與葉身轉(zhuǎn)接處,與損傷部位基本一致,因此將一階扭轉(zhuǎn)振型確定為試驗(yàn)振型。一階扭轉(zhuǎn)振型下最大應(yīng)力區(qū)域集中,應(yīng)力分布梯度較大,應(yīng)力分布云圖如圖1所示。

選擇合適葉片振型并將載荷準(zhǔn)確地施加至目標(biāo)位置,這是試驗(yàn)的中心環(huán)節(jié),對(duì)試驗(yàn)結(jié)果是否可信至關(guān)重要,夾具設(shè)計(jì)與試驗(yàn)過(guò)程中的載荷控制都必須滿(mǎn)足這一要求。

葉片故障位置位于葉盆側(cè)阻尼臺(tái)前緣與葉身轉(zhuǎn)接處,為了能夠在故障位置施加較大振動(dòng)應(yīng)力,采用同時(shí)固持阻尼臺(tái)和榫頭的方式。其中,榫頭部位采用后頂式結(jié)構(gòu)固持,阻尼臺(tái)部分采用上下壓緊式結(jié)構(gòu)固持。由于阻尼臺(tái)的特殊外形結(jié)構(gòu)導(dǎo)致固持較困難,因此筆者對(duì)葉盆側(cè)和葉背側(cè)阻尼臺(tái)的局部進(jìn)行修整,形成兩個(gè)平行面,以保正固持的可操作性和穩(wěn)定性。葉片固持方式如圖2所示。

▲圖1 一階扭轉(zhuǎn)振型應(yīng)力分布云圖

▲圖2 葉片固持方式

4 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)采用電磁振動(dòng)臺(tái)作為激勵(lì)源,試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。為了驗(yàn)證試驗(yàn)方案的可行性,選取一件葉片,在高應(yīng)力下使葉片快速斷裂,并觀察裂紋情況。結(jié)果表明,裂紋位置與外場(chǎng)斷裂位置一致,裂紋穿過(guò)電擊傷區(qū)域。裂紋位置如圖4所示。

根據(jù)鈦合金材料的疲勞特性,選取3×107次作為循環(huán)基數(shù),將110 MPa作為起始應(yīng)力,將20 MPa作為應(yīng)力臺(tái)階,采用逐級(jí)加載的方式對(duì)試驗(yàn)載荷進(jìn)行確定。為了得到葉片的最低疲勞強(qiáng)度,選取三件燒傷葉片進(jìn)行試驗(yàn)。逐級(jí)加載試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 逐級(jí)加載試驗(yàn)結(jié)果

▲圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)▲圖4 裂紋位置

根據(jù)逐級(jí)加載試驗(yàn)原理,將3×107次作為循環(huán)基數(shù)的中值疲勞強(qiáng)度,為140 MPa?？紤]到累積損傷對(duì)葉片疲勞強(qiáng)度的影響,應(yīng)將疲勞強(qiáng)度值適當(dāng)提高,定為150 MPa。

從正常和燒傷兩種類(lèi)型的葉片中分別選取六件進(jìn)行疲勞強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn),將150 MPa作為初始應(yīng)力,將20 MPa作為應(yīng)力臺(tái)階,選取3×107次為循環(huán)基數(shù),進(jìn)行逐級(jí)加載。若在某一應(yīng)力下通過(guò)3×107次疲勞強(qiáng)度考核,則增大應(yīng)力繼續(xù)試驗(yàn),直至葉片出現(xiàn)工程可見(jiàn)裂紋或頻率降低1%。疲勞對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 疲勞對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

葉片疲勞性能的優(yōu)劣,除了表現(xiàn)為較高的疲勞壽命外,還要有較好的均勻性。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及疲勞統(tǒng)計(jì)方法,需進(jìn)行母體平均值檢驗(yàn)。

母體平均值檢驗(yàn)是t分布原理的應(yīng)用,也稱(chēng)為t檢驗(yàn)。母體平均值代表產(chǎn)品的平均水平。進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)的兩組葉片的疲勞壽命,可以看作是從兩個(gè)母體中分別抽取的兩個(gè)子樣。根據(jù)兩個(gè)子樣來(lái)檢驗(yàn)兩個(gè)母體的平均值是否相同,如果相同,那么就疲勞壽命而言,可以認(rèn)為這兩個(gè)子樣來(lái)自平均值相同的兩個(gè)母體;反之,認(rèn)為兩個(gè)子樣來(lái)自平均值不相同的兩個(gè)母體,試驗(yàn)結(jié)果存在條件誤差。

母體中隨機(jī)抽取一個(gè)樣本數(shù)為n的子樣,即取得n個(gè)疲勞壽命觀測(cè)數(shù)據(jù),這n個(gè)數(shù)據(jù)的平均值即為子樣平均值。根據(jù)表2中數(shù)據(jù),正常葉片子樣平均值為7.477 1,燒傷葉片子樣平均值為7.230 1。

根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)原理,用各個(gè)偏差二次方的總和除以自由度,即子樣方差來(lái)度量分散性。根據(jù)表2中數(shù)據(jù),正常葉片子樣方差為0,燒傷葉片子樣方差為0.049。

F=0.049/0=+∞,取顯著度為5%,查相關(guān)資料得顯著度為5%時(shí)的統(tǒng)計(jì)量F0.05為9.6。

可知F大于F0.05,說(shuō)明兩個(gè)子樣方差有明顯差異,可以認(rèn)為兩個(gè)子樣來(lái)自不同的母體,即兩種葉片疲勞壽命存在明顯差異。

由表2數(shù)據(jù)可知,在150 MPa應(yīng)力水平下,正常葉片全部通過(guò)了3×107次疲勞強(qiáng)度考核,燒傷葉片均未通過(guò)3×107次疲勞強(qiáng)度考核,且正常葉片子樣平均值大于燒傷葉片子樣平均值,說(shuō)明燒傷葉片疲勞強(qiáng)度明顯低于正常葉片。

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者通過(guò)設(shè)計(jì)合理的試驗(yàn)夾具,結(jié)合ANSYS軟件計(jì)算,復(fù)現(xiàn)了葉片在外場(chǎng)使用時(shí)的斷裂模式,確認(rèn)了由于工藝參數(shù)控制不當(dāng)而導(dǎo)致葉盆側(cè)阻尼臺(tái)前緣與葉身轉(zhuǎn)接處的電擊傷為葉片斷裂的主因。

采用榫頭和阻尼臺(tái)同時(shí)固持的方式,實(shí)現(xiàn)了在高階模態(tài)下對(duì)葉片阻尼臺(tái)部位進(jìn)行疲勞強(qiáng)度考核,并準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力載荷的施加。

在葉片一階扭轉(zhuǎn)振型下完成了正常葉片和燒傷葉片疲勞強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,葉盆側(cè)阻尼臺(tái)前緣與葉身轉(zhuǎn)接處的電擊傷對(duì)葉片疲勞強(qiáng)度的降低有較為明顯的影響,為后續(xù)評(píng)價(jià)其它燒傷葉片是否可用提供了依據(jù)。