凹坑型外物损伤对TC4高循环疲劳性能的影响及预测方法研究

发布时间：2020-08-13 00:40

【摘要】：外物损伤(Foreign Object Damage,FOD)是航空发动机使用中风扇/压气机叶片的一种常见故障或问题,可能导致叶片发生疲劳断裂,因此需要针对FOD制定较为完善的叶片设计标准和维修规范。本文针对FOD损伤中一类常见的凹坑型FOD损伤,研究了其对TC4钛合金叶片高循环疲劳(High Cycle Fatigue,HCF)性能的影响规律,发展了凹坑型损伤叶片的HCF强度预测方法,主要研究工作和结论如下:(1)分析了试验模拟凹坑型损伤的宏观特征,建立了损伤的简化几何模型,分析了宏观特征及应力集中系数对TC4钛合金试验件HCF强度的影响程度,并观察了凹坑型损伤试验件疲劳断口的微观特征。研究结果表明:实验室模拟凹坑型损伤的宏观几何尺寸及应力集中系数无法准确衡量损伤对TC4钛合金叶片HCF性能的影响程度。(2)基于Bammann模型对凹坑型FOD损伤的形成过程进行了有限元数值模拟,对数值模拟获得的凹坑损伤宏观几何特征与几何尺寸与实验室模拟结果进行了对比,对不同冲击条件下凹坑型损伤周围的残余应力分布进行了分析。结果表明:Bammann模型能够较为准确地模拟凹坑型损伤的宏观几何特征,不同冲击条件下凹坑型损伤周围的残余应力分布存在较大差异。(3)基于临界距离理论预测了模拟凹坑型损伤叶片的HCF强度,并结合残余应力数值模拟结果获得了考虑残余应力影响的损伤试件HCF强度预测结果,并与传统疲劳强度经验公式的预测结果进行了对比。研究结果表明:相对于传统经验公式,临界距离理论能够更为精确的预测凹坑型损伤叶片的HCF强度。在HCF强度预测中考虑冲击残余应力的影响,能够进一步改进预测结果。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V232.4
【图文】：

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南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文第一章绪论1.1 研究背景在飞机频繁的起飞和降落过程中，发动机可能由于强大的吸力而吸入跑道附近的各种异物进而击伤发动机前部的风扇和低压压气机叶片，造成叶片的损伤，这种损伤的存在严重威胁了飞行的安全。当撞击的硬物石块、砂砾、金属碎片、树枝等较小的硬物时，通常定义为“硬物撞击”，在国内外航空发动机设计标准和规范[1],[2]中被称为外物损伤（Foreign Object Damage，简称为FOD）。FOD多发生于叶片的前后边缘处[3]，其宏观损伤形式包括凹坑（Dent）、缺口（Nick）、裂纹（Crack）、撕裂（Tear）等，如下图 1.1 所示为实际外物损伤常见宏观形貌。

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FOD损伤的设计评估方法和制定相关判废标准和维修规范，需对叶片疲劳性能的影响规律进行深入研究和分析。为此，本章及其对 TC4 平板试件高循环疲劳（HCF）性能的影响规律开建立考虑凹坑型 FOD 损伤影响的 TC4 钛合金 HCF 性能预测金及其基本力学性能象为 TC4 钛合金，具有良好的综合性能，在航空工业中广泛机叶片或压气机盘的制造，其化学组成成分如下表 2.1[50]所示表 2.1 TC4 钛合金化学组成成分（质量分数百分比%）Al V Ti Fe C N 5.5~6.8 3.4~4.5 余量 0.027 0.10 0.008 5*1000*1700mm3热轧 TC4 钛合金板材，热处理状态：退火（82 两相合金，含有 6% 稳定元素 Al 和 6% 稳定元素 V，织结构。具有该种微观组织结构的TC4钛合金沿轧制方向的室69MPa、 =971MPab ，弹性模量E =118GPa，泊松比 0.3

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图 2.5 凹坑型损伤宏观形貌征对 TC4 钛合金高循环疲劳强度影过程中，通常通过测量损伤的几何尺寸如在某型发动机维修手册中，针对叶片：当凹坑深度小于最大可用极限（Maxi片仍能够工作一段时间而不需要维修更限（Maximum Repairable Limit）时，该大可维修极限时，该叶片判定为报废，伤的宏观几何尺寸对叶片性能的关系：降，因此需要建立宏观几何尺寸对叶片维修提供依据。宏观几何尺寸进行定义，其中沿硬物冲击损伤宽度W 、垂直于试验件表面方向尺在进行疲劳试验试样断裂之后进行测量

【参考文献】