CN104535438A - 一种试验件高温高低周复合疲劳裂纹扩展试验系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种试验件的高温高低周复合疲劳裂纹扩展试验系统及测量方法，用于模拟带角裂纹的高温合金试验件考核段的工作应力、温度场以及载荷谱。它包括加载子系统、加温子系统、水冷子系统和监测子系统。加载子系统在纵向夹持专用夹具，横向激振专用夹具，高低周裂纹扩展试验专用夹具的设计解决了低周拉伸载荷以及高周振动载荷的互不干涉加载。加温子系统对试验件考核段进行加温。水冷子系统通过通水管与加载系统和加温子系统相连，并对其进行冷却。监测子系统用于监控夹具激振点振幅，以及实时观测试验件表面裂纹扩展过程。通过高温高低周复合疲劳裂纹扩展试验系统可获得材料的高温复合疲劳裂纹扩展特性，为航空发动机涡轮榫接裂纹评估标准提供了依据及评判标准。

Description

一种试验件高温高低周复合疲劳裂纹扩展试验系统及测量方法

技术领域

本发明涉及高温高低周复合疲劳领域，具体来说，是一种用于实验室内测量高温合金材料的高温高低周复合疲劳裂纹扩展特性的试验系统。可实现燃气涡轮发动机涡轮盘材料的高温复合疲劳裂纹扩展试验研究，也可扩展应用到发动机涡轮叶片的高温复合疲劳裂纹扩展试验，属于航空航天技术中的高性能燃气涡轮发动机技术领域。

背景技术

涡轮盘是现代航空发动机设计难度最高的部件之一。其普遍采用枞树形榫槽这一多通道传力结构来确保与叶片榫头的安全高效联接。在发动机工作时，枞树形多通道传力结构受到叶片离心力、热载荷等构成的低周疲劳载荷和由气动载荷诱发叶片横向振动及自身振动的小幅值、高频率载荷耦合作用，这种高频振动载荷与低周疲劳载荷相互叠加时造成的复合疲劳损伤会大大加速多通道传力结构的破坏，并引起其它榫齿相继断裂造成重大故障。近年来，随着航空发动机对高效率和高推重比的不断追求，尤其是涡轮盘需要承受越来越高的温度和循环载荷作用，其必然容易出现许多结构强度方面的问题。

因此，有必要在实验室内模拟涡轮盘材料的工作状态，开展高温高低周复合疲劳裂纹扩展试验研究，探究高温合金材料的高温高低周复合疲劳裂纹扩展特性和失效机理，从而为发动机涡轮榫接裂纹的控制与评估体系的建立与完善提供依据。然而，如何在实验室实现高温高低周复合疲劳裂纹扩展试验技术是进行涡轮榫接损伤机理研究的基础。

美国空军实验室于2000年，利用半刚性的尼龙带将叶尖与疲劳试验机的夹头进行连接，机械载荷由夹头经尼龙带传递到叶片上。同时，尼龙带降低系统刚性，使高频小位移驱动器能够施加高周载荷。然而试验中由于尼龙的熔点和强度较低，不适用于高温环境，且难以可靠传递大的机械载荷。

美国专利US 6718833B2于2004年提出了一套多轴高循环疲劳系统，该系统在施加低周载荷的同时，可以实现弯矩以及扭矩的加载，但是该系统只适用于常温环境。

发明内容

本发明提出了一种适用于高温环境下的高低周复合疲劳裂纹扩展试验系统，克服了背景技术中的不足，实现了在高温条件下高低周载荷互不干涉加载的问题，解决了高温下试验件考核段振动应力的准确测量，试验件的设计模拟了榫接角裂纹的扩展形式。并基于此试验系统，开展了带角裂纹的高温合金试验件高温复合疲劳裂纹扩展试验研究，获得了材料的高温复合疲劳裂纹扩展特性，为航空发动机涡轮榫接裂纹判废标准提供了依据及评判标准。

本发明的技术解决方案：一种试验件高温高低周复合疲劳裂纹扩展试验系统，包括：加载子系统、加温子系统、水冷子系统和监测子系统。加载子系统包括疲劳试验机、激振器、试验件和复合疲劳专用夹具。复合疲劳专用夹具包括：第一传力活节、第一传力销钉、第二传力活节、第二传力销钉、第三传力活节、第三传力销钉、上夹具、上夹具盖、压紧螺栓、下夹具和下夹具盖组成。疲劳机夹头与第一传力活节和下夹具分别采用螺纹连接，第一传力活节通过第一传力销钉与第二传力活节连接，第二传力活节通过第二传力销钉与第三传力活节连接，第三传力活节通过第三传力销钉与上夹具连接，将试验件分别通过四个压紧螺栓固定在上夹具和上夹具盖以及下夹具和下夹具盖之间。激振器固定在可升降的工作台上，通过转动手柄可以调节工作台的高度。激振杆两端都有螺纹，分别和上夹具上的螺纹孔以及激振器连接。在试验过程中，疲劳试验机通过专用夹具施加纵向的载荷，激振器在横向上激励上夹具，从而将振动载荷传至试验件考核段。加温子系统包括高频感应加热炉和感应加热线圈，其间通过两个铜制小夹块互相连接。感应加热线圈为自行设计加工，通过改变感应加热线圈的形状、匝数以及感应加热线圈与试验件表面的距离，同时调整高频感应加热炉的输入功率，实现试验件考核截面工作温度场的模拟；水冷子系统包括水泵和贮水箱，其间通过管道互相连接用于高温复合疲劳试验系统的冷却；贮水箱里的冷却水经过水泵增压后分为三路：第一路进入高频感应加热炉，用于冷却高频感应加热炉和感应加热线圈；第二路进入复合疲劳专用夹具的水冷孔，用于冷却专用夹具；第三路用于冷却疲劳试验机。三路冷却水完成对试验系统的冷却后回到贮水箱，构成冷却水循环；监测子系统由测振仪和长焦显微镜组成，其中测振仪用于监测激振点的振幅；长焦显微镜分辨率为0.001mm，焦距为300mm，安装在夹具前0.15m-0.35m处，用于实时监控试验过程中试验件表面裂纹扩展过程。

其中，所述专用夹具的设计解决了低周拉伸载荷以及高周振动载荷的互不干涉加载。三个传力活节结构降低了夹具在横向上的刚性，减少了高周振动载荷在传递过程中的损耗，确保高周载荷能够顺利加载到试验件考核段。上、下夹具及夹具盖与试验件连接部位设计成楔形，且夹具上的楔形槽尺寸略大于试验件楔形夹持段，方便试验件的安装。同时，加载的时候通过楔形面来传递轴向力，且试验件能够实现自动对心。

其中，所述的试验件材料为牌号是镍基高温合金GH2036。试验件夹持段设计成楔形，与夹具相配合。采用线切割技术，对试验件中部考核段预制一个0.2×0.2mm的角裂纹，可以模拟榫接角裂纹的扩展形式。

本发明另外提供一种高低周复合疲劳试验高周振动应力测量方法，利用上述的系统进行高低周复合疲劳裂纹扩展试验高周振动应力测量，其实现步骤如下：

步骤(1)、通过ANSYS软件进行谐响应分析，模拟夹具和试验件在激励力下的响应，获得激励点的振幅与试验件考核段的振动应力关系。模拟时为反应系统真实工作状态，约束第一活节夹头位移，并对下夹具夹头施加向下的拉力。同时在激振点施加一个横向的正弦激励力，模拟高周载荷。

步骤(2)、试验过程中采用测振仪监测激振点的振幅，间接监控考核段的振动应力值。

本发明一种试验件高温高低周复合疲劳裂纹扩展试验系统，与现有技术相比优点在于：第一，高低周专用夹具的设计解决了高、低周互不干涉加载，感应线圈加热实现了高温环境，成功解决了高温环境下高低周复合疲劳加载难题，模拟了发动机涡轮榫接的真实工作条件。第二，采用数值模拟和试验相结合的方法，实现了高温条件下试验件考核段振动应力的准确测量。第三，通过对高温合金试验件考核段预制角裂纹，成功模拟了榫接裂纹的扩展形式，并采用长焦显微镜实时观测裂纹扩展过程。

附图说明

图1为高温高低周复合疲劳试验要求的载荷谱示意图；

图2为高温高低周复合疲劳系统结构框图；

图3为复合疲劳试验台；

图4为复合疲劳专用夹具；

图5为上夹具及夹具盖，其中，图5(a)为上夹具，图5(b)为上夹具盖；

图6为带角裂纹试验件，其中，图6(a)为试验件正视图，图6(b)为试验件考核段剖视图，图6(c)为角裂纹示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本文发明一种高温高低周复合疲劳裂纹扩展试验系统为实现试验件复合疲劳加载、温度场模拟、振动应力测量方法所采取的技术方案做进一步说明。试验件高温高低周复合疲劳裂纹扩展试验载荷谱如图1所示。试验件高温高低周复合疲劳裂纹扩展试验系统如图2所示。

(1)复合疲劳加载方案

图3和图4为复合疲劳加载方案，复合疲劳加载具体实施方式如下。疲劳试验机3与第一传力活节5采用螺纹连接，第一传力活节5通过第一传力销钉11与第二传力活节6连接，第二传力活节6通过第二传力销钉12与第三传力活节7连接，第三传力活节7通过第三传力销钉13与上夹具8连接，通过压紧螺栓15将试验件9固定在上夹具8和下夹具10之间，试验件和夹具采用楔形槽的连接方式，经由上夹具8和下夹具10将低周拉伸载荷传递给试验件9。在试验过程中，振动杆4与上夹具8采用螺纹连接，激振器2通过激励振动杆3与上夹具8的连接点来模拟高周载荷，再由上夹具8将高周载荷传递给试验件9，此即高周传力装置连接关系。这样，在保证低周载荷很好传递的同时，传力活节之间可以转动，因此可以最大程度地保证高周载荷从夹具传递到试验件上。试验所用疲劳机为岛津EHF-EM100K型液压疲劳试验机，提供动态100KN，静态150KN的力，用计算机控制可实现梯形波、三角波等载荷谱波形，最大加载频率为10HZ。所用激振器型号为IZ-20激振器，同时该电磁激振器配备相应的GF-300功率放大器和UTG9003信号发生器，最大输出频率为5000Hz，最大输出力为200N。

图5为上夹具及上夹具盖简图。夹具与试验件连接部分采用楔形过渡，且夹具和夹具盖上的楔形槽尺寸大于试验件楔形夹持段，方便安装和加载时自动定心。

图6为试验件简图。试验件夹持段设计成楔形，与夹具进行配合。在试验件考核段预制一个0.2×0.2mm角裂纹。

(2)温度场模拟

加温子系统包括高频感应加热炉和感应加热线圈，其间通过两个铜制小夹块互相连接。感应加热线圈为自行设计加工，通过改变感应加热线圈的形状、匝数以及感应加热线圈与试验件表面的距离，同时调整高频感应加热炉的输出功率，实现试验件考核截面工作550℃温度场的模拟，并采用热电偶测温；本发明中由于受限于夹具体积及水冷孔直径，通过自行攻丝加工空心螺栓与夹具连接，并由水泵向其供水冷却。同时，在夹具上安装了隔热板，减少了热辐射，克服了普通材质夹具难以承受550℃高温的问题，降低了试验对设备的耐高温要求以及试验成本。试验所用高频感应加热炉型号为SPG-30B，输入功率5～30kW，振荡频率50～200kHz，冷却水要求0.2MPa、6L/min，并配备有温度控制器。

(3)振动应力测量方法

本文采用数值模拟和试验相结合的方法测量试验件考核段振动应力。利用有限元软件对专用夹具和试验件进行谐响应分析。按照真实工作条件，对夹具施加边界条件，确定激振点振幅与试验件考核段振动应力的关系。在试验过程中，只要采用测振仪测量激振点的位移幅值，即可得到考核段的振动应力值。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种试验件的高温高低周复合疲劳裂纹扩展试验系统，其特征在于：该高温高低周复合疲劳试验系统包括：加载子系统、加温子系统、水冷子系统和监测子系统；加载子系统在纵向夹持专用夹具，横向激振专用夹具；加温子系统对试验件考核段进行加温；水冷子系统通过管道与加载子系统和加温子系统相连，并对其进行冷却；监测子系统用于监控夹具激振点振幅，以及实时观测试验件表面裂纹扩展过程；它用于模拟带角裂纹的高温合金试验件考核段的工作应力、温度场以及载荷谱；

加载子系统包括疲劳试验机、激振器、试验件和高低周裂纹扩展试验专用夹具；高低周裂纹扩展试验专用夹具加持试验件后，通过疲劳试验机的夹头连接；采用激振杆连接专用夹具和激振器；加载子系统提供试验所需的机械载荷，疲劳试验机(3)提供纵向的单轴拉伸载荷，激振器(2)提供横向的高周激振；高低周裂纹扩展试验专用夹具解决了低周拉伸载荷以及高周振动载荷的互不干涉加载，其为自行设计加工，由第一传力活节(5)、第一传力销钉(11)、第二传力活节(6)、第二传力销钉(12)、第三传力活节(7)、第三传力销钉(13)、上夹具(8)、上夹具盖(14)、压紧螺栓(15)、下夹具(10)和下夹具盖(16)组成；在试验过程中，疲劳试验机(3)与第一传力活节(5)和下夹具(10)分别采用螺纹连接，第一传力活节(5)通过第一传力销钉(11)与第二传力活节(6)连接，第二传力活节(6)通过第二传力销钉(12)与第三传力活节(7)连接，第三传力活节(7)通过第三传力销钉(13)与上夹具(8)连接，将试验件(9)分别通过四个压紧螺栓(15)固定在上夹具(8)和上夹具盖(14)以及下夹具(10)和下夹具盖(16)之间，将试验件(9)夹持段设计成楔形，上、下夹具及夹具盖与试验件连接部位也相应设计成楔形；经由上夹具(8)和下夹具(10)将低周拉伸载荷传递给试验件(9)，此即低周传力装置传力路径；激振杆(4)与上夹具(8)采用螺纹连接，激振器(2)通过激振杆(4)激励上夹具(8)来施加高周载荷，再由上夹具(8)将高周载荷传递给试验件(9)，此即高周传力装置传力路径；

加温子系统包括高频感应加热炉和感应加热线圈；加温子系统用于提供试验所需温度场；感应加热线圈为自行设计制造，其与高频感应加热炉相连，并且铜管内部通有冷却水；通过改变感应加热线圈的形状、匝数以及感应加热线圈与试验件表面的距离，同时调整高频感应加热炉的输入功率，能实现试验件考核截面工作温度场的模拟；

水冷子系统包括水泵和贮水箱；水冷子系统用于高温复合疲劳裂纹扩展试验过程中试验系统的冷却；贮水箱里的冷却水经过水泵增压后分为三路：第一路进入高频感应加热炉，用于冷却高频感应加热炉和感应加热线圈；第二路进入复合疲劳专用夹具的水冷孔，用于冷却专用夹具；第三路用于冷却疲劳试验机。三路冷却水完成对试验系统的冷却后回到贮水箱，构成冷却水循环；其中由于受到夹具体积和水冷孔直径的限制，因此采用自制带螺纹的空心铜管解决了夹具冷却的问题；

监测子系统包括测振仪和长焦显微观测系统；由于高温下应变片技术比较复杂，无法测量高温试验件考核段的振动应力，试验中采用测振仪监测激振点的振幅，通过数值模拟得到激振点的振幅与考核段振动应力的关系，从而间接监测考核段的振动应力；QM100长焦显微镜安装在夹具前0.15m-0.35m处，分辨率为0.001mm，用于实时监控试验过程中试验件表面裂纹扩展过程，得到指定循环载荷数下的裂纹长度以及裂纹形貌。

2.根据权利要求1所述的试验件的高温高低周复合疲劳裂纹扩展试验系统，其特征在于：高低周裂纹扩展试验专用夹具的设计解决了低周拉伸载荷以及高周振动载荷的互不干涉加载；三个传力活节结构降低了夹具在水平方向上的刚性，减少了高周振动载荷在传递过程中的损耗，确保高周载荷能够顺利加载到试验件考核段；上、下夹具及夹具盖与试验件连接部位设计成楔形，且夹具上的楔形槽尺寸略大于试验件楔形夹持段，方便试验件的安装；同时，加载的时候通过楔形槽端面来传递轴向力，且试验件能够实现自动对心。

3.根据权利要求1所述的试验件的高温高低周复合疲劳裂纹扩展试验系统，其特征在于：所述的试验件材料为牌号是镍基高温合金GH2036；采用线切割技术，对试验件考核段预制一个0.2×0.2mm的角裂纹，可模拟榫接角裂纹的扩展形式。

4.一种高低周复合疲劳试验高州振动应力测量方法，根据权利要求1所述的系统进行高低周复合疲劳裂纹扩展试验高周振动应力测量，其特征在于实现步骤如下：

步骤(1)、通过ANSYS软件进行谐响应分析，模拟夹具和试验件在激励力下的响应，获得激励点的振幅与试验件考核段的振动应力关系曲线；模拟时为反应系统真实工作状态，约束第一活节夹头的位移，并对下夹具夹头施加向下的拉力，同时在激振点施加一个横向的正弦激励力，模拟高周载荷；

步骤(2)、试验时，采用测振仪监测激振点的振幅，间接监控考核段的振动应力值。