CN108693030A - Fod缺口型损伤的疲劳性能预测方法 - Google Patents

Fod缺口型损伤的疲劳性能预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种FOD缺口型损伤的疲劳性能预测方法，包括如下步骤：(1)确定FOD缺口型损伤的宏观尺寸：通过观测工具，观测FOD缺口型损伤的形貌特征，测量FOD缺口损伤的宏观尺寸；(2)确定假设小缺口的尺寸形貌及位置：基于步骤(1)得到的FOD缺口型损伤的宏观尺寸及形貌，确定假设小缺口的几何尺寸及其相对于FOD缺口损伤的位置；(3)确定疲劳预测的相关参数：依据所预测的疲劳参量及其疲劳条件，确定所对应的材料参数及预测方法；(4)开展疲劳性能的预测计算：以叠加缺口模型为基础，构建有限元模型进行分析计算，进而依据计算结果预测FOD缺口型损伤的疲劳性能。本发明提高了FOD缺口型损伤的疲劳性能预测精度。

Description

FOD缺口型损伤的疲劳性能预测方法
技术领域
本发明属于疲劳预测方法技术领域，针对FOD缺口型损伤，提出一种以具有假设小缺口(次要缺口)的叠加缺口为预测模型的疲劳性能预测方法。
背景技术
外物损伤(Foreign Object Damage，简称FOD)，又称硬物损伤，主要是因工作环境中的硬物，如砂石、金属碎屑等，对发动机内部部件造成冲击从而产生。因外界环境的限制，航空发动机的FOD事件几乎无法避免，风扇/压气机叶片经常因FOD损伤而需要维修、更换，甚至可能导致飞行事故。因此，为保证叶片在FOD后能继续稳定地工作，降低维修成本，需重点研究FOD损伤叶片的疲劳性能及强度，因此，发展FOD损伤叶片疲劳性能的准确预测方法是十分必要的。
据外场统计，FOD宏观特征上多表现为缺口、撕裂、凹坑等形式，其中，以缺口型损伤为主要形式。因此，当前FOD损伤的相关问题研究中，多以加工缺口的疲劳性能预测方法来对FOD损伤开展疲劳性能的预测研究和分析。
但由于在实际的冲击过程中，FOD缺口型损伤的形状往往较为复杂，不能以单一的缺口形状或特征来进行描述。更为重要的是，FOD缺口损伤表面的轮廓凹凸不平，存在肉眼或简单仪器难以观测的微观缺陷及细小裂纹，其对疲劳性能的影响是显著的，但却很难以加工缺口的形式表征出来。因此，依据加工缺口的疲劳性能预测方法往往很难到达预期的精度要求。相关的工程实践也表明：传统的缺口疲劳性能预测法(如应力集中系数，临界距离理论)在FOD缺口型损伤的预测结果上存在较大误差，无法满足工程设计的需要。
目前，国内尚无准确的FOD缺口型损伤疲劳性能预测方法。
发明内容
为弥补传统的缺口疲劳预测方法在FOD疲劳预测上的精度不足，本发明的目的是提出一种FOD缺口型损伤的疲劳性能预测方法，通过叠加缺口的修正模型，以假设小缺口来替代FOD损伤的不规则轮廓和微观缺陷，从而将其对疲劳性能的影响引入模型的分析计算中，进而提高FOD缺口型损伤疲劳性能的预测精度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种FOD缺口型损伤的疲劳性能预测方法，包括如下步骤：
(1)确定FOD缺口型损伤的宏观尺寸：通过观测工具，观测FOD缺口型损伤的形貌特征，测量FOD缺口损伤的宏观尺寸；
(2)确定假设小缺口的尺寸形貌及位置：基于步骤(1)得到的FOD缺口型损伤的宏观尺寸及形貌，确定假设小缺口的几何尺寸及其相对于FOD缺口损伤的位置；
(3)确定疲劳预测的相关参数：依据所需预测的疲劳参量及其疲劳条件，采用现有技术的方法，确定所对应的材料参数及预测方法；
(4)开展疲劳性能的预测计算：以叠加缺口模型为基础，构建有限元模型进行分析计算，进而依据计算结果预测FOD缺口型损伤的疲劳性能。
所述步骤(1)中，观测工具为光学显微镜。
所述步骤(1)中，FOD缺口型损伤的宏观测量尺寸包括缺口深度H、缺口宽度L以及缺口底部半径R。
所述步骤(1)中，FOD缺口型损伤入射和出射两侧的宏观尺寸作平均处理。
所述步骤(2)中，设定FOD缺口宏观尺寸与假设小缺口尺寸之间存在以下的函数关系，以此来确定假设小缺口的具体尺寸：
r＝F1(R)；h＝F2(H)；l＝F1(L)
其中，r、h、l分别为假设小缺口的底部半径，缺口深度以及缺口宽度，R、H、L分别表示FOD缺口型损伤的缺口底部半径、缺口深度、缺口宽度；
函数F1、F2、F3为有关尺寸参数的多项式，依据工程精度要求以及FOD损伤的程度来确定，FOD形状越复杂，如出现撕裂、裂纹、扭曲等，多项式所需的次数可能越高，一般认为函数F1、F2、F3仅为一次项即可满足工程要求，即：
F(x)＝a·x
式中，F为F1、F2或F3，x为缺口的尺寸参量，a为比例系数，a值通过试验或经验性方法给出，一般为0.1～0.4。
所述步骤(2)中，假设小缺口位于FOD缺口型损伤底部的中间位置。
所述步骤(3)中，对于材料的疲劳性能预测，其方式方法存在多种多样，材料参数和预测方法的选定是本领域的公知技术，例如：所预测的疲劳参量需确定具体的疲劳条件，若预测FOD缺口型损伤的疲劳强度，需确定此时的疲劳寿命，载荷应力比；
根据预测目标和要求，选择所对应的预测方法，若选用临界距离法来预测FOD损伤的疲劳强度，需确定此时损伤材料的临界距离和其光滑试件的疲劳强度。
所述步骤(4)中，所构建的叠加缺口模型为2维模型，且叠加缺口应力集中区域附近网格需做局部细化处理。
有益效果：本发明针对FOD缺口型损伤，提出了一种叠加缺口的修正模型，以假设小缺口来替代FOD损伤的不规则轮廓和微观缺陷，从而将其对疲劳性能的影响引入模型的分析计算中，进而提高了FOD缺口型损伤疲劳性能的预测精度。
附图说明
图1a是TC4前缘模拟件的几何设计图；
图1b是图1a的侧视图；
图2是TC4前缘模拟损伤试件实物图；
图3是典型的FOD缺口型损伤实物图；
图4是FOD缺口有限元模型及边界条件；
图5是含假设小缺口的叠加缺口局部网格示意图；
图6是不同预测模型的计算结果与试验结果的对比图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明以一批带有FOD缺口的前缘特征TC4试件为例，开展其疲劳强度的预测计算，其中，FOD缺口损伤均由钢珠冲击所致。试件如图1a、1b和图2所示。
具体步骤如下：
(1)确定FOD缺口型损伤的宏观尺寸。
通过光学显微镜等观测工具，观测FOD缺口型损伤的形貌特征，测量FOD缺口损伤的基本宏观尺寸；如图1a、1b和图2所示，依据此批损伤试样的FOD形状，基本可将其损伤缺口视为“C”型，故所测量的宏观尺寸仅需缺口的深度H及底部半径R即可。由于后续建模中以2维模型为基础，故将FOD损伤的入射侧、出射侧的测量几何尺寸作平均处理，具体结果见表1所示。
表1 FOD宏观缺口的具体尺寸
(2)确定假设小缺口的尺寸形貌及位置。
由于FOD宏观缺口基本为“C”型，因此假设小缺口的基本形状设定为“C型”；
在此基于研究经验及试件材料，采用一种较为简单的函数形式来表达FOD宏观缺口与小缺口的尺寸关系，如下：
其中r、h分别为假设小缺口的底部半径及缺口深度；
由图3可知，此批FOD损伤均由钢珠冲击所致，缺口的几何形状较为规整，故假设小缺口的位置定于宏观缺口的最大应力处，即FOD宏观缺口的底部，具体结果见表2所示。
表2假设小缺口的具体尺寸及位置
(3)确定疲劳预测的相关参数。
由于预测目标为FOD型损伤的疲劳强度，因此选用临界距离法来开展疲劳预测。临界距离法预测疲劳强度需要材料光滑件的疲劳强度和材料所对应的临界距离，因此：通过逐步加载法的疲劳试验，获得TC4钛合金光滑件的疲劳强度，为641MPa；通过查阅相关资料，确定TC4钛合金缺口试件的临界距离,为0.0545mm。
(4)开展疲劳强度的预测计算。
依据FOD缺口宏观测量尺寸及假设小缺口的计算尺寸，建立相对应的有限元缺口模型，如图4；叠加缺口的局部区域进行网格划分，如图5；开展有限元计算；获得叠加缺口底部的应力分布，结合步骤(3)中确定的临界距离，计算FOD缺口型损伤试件的疲劳强度。
将本次预测方法的计算结果和基于FOD宏观缺口尺寸的预测结果与实验结果一同对比，如图6所示，从对比误差可以看出本发明有效的提高了FOD缺口型损伤的疲劳强度预测精度，相对误差基本可控制在±20％之内。
虽然本发明已以较佳实施例如上公开，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可做各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的专利保护范围所界定的为准。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (8)

1.一种FOD缺口型损伤的疲劳性能预测方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)确定FOD缺口型损伤的宏观尺寸：通过观测工具，观测FOD缺口型损伤的形貌特征，测量FOD缺口损伤的宏观尺寸；
(2)确定假设小缺口的尺寸形貌及位置：基于步骤(1)得到的FOD缺口型损伤的宏观尺寸及形貌，确定假设小缺口的几何尺寸及其相对于FOD缺口损伤的位置；
(3)确定疲劳预测的相关参数：依据所需预测的疲劳参量及其疲劳条件，采用现有技术的方法，确定所对应的材料参数及预测方法；
(4)开展疲劳性能的预测计算：以叠加缺口模型为基础，构建有限元模型进行分析计算，进而依据计算结果预测FOD缺口型损伤的疲劳性能。
2.根据权利要求1所述的FOD缺口型损伤的疲劳性能预测方法，其特征在于：所述步骤(1)中，观测工具为光学显微镜。
3.根据权利要求1所述的FOD缺口型损伤的疲劳性能预测方法，其特征在于：所述步骤(1)中，FOD缺口型损伤的宏观测量尺寸包括缺口深度H、缺口宽度L以及缺口底部半径R。
4.根据权利要求1所述的FOD缺口型损伤的疲劳性能预测方法，其特征在于：所述步骤(1)中，FOD缺口型损伤入射和出射两侧的宏观尺寸作平均处理。
5.根据权利要求1所述的FOD缺口型损伤的疲劳性能预测方法，其特征在于：所述步骤(2)中，设定FOD缺口宏观尺寸与假设小缺口尺寸之间存在以下的函数关系，以此来确定假设小缺口的具体尺寸：
r＝F1(R)；h＝F2(H)；l＝F1(L)
其中，r、h、l分别为假设小缺口的底部半径，缺口深度以及缺口宽度，R、H、L分别表示FOD缺口型损伤的缺口底部半径、缺口深度、缺口宽度；
函数F1、F2、F3为有关尺寸参数的多项式。
6.根据权利要求5所述的FOD缺口型损伤的疲劳性能预测方法，其特征在于：函数F1、F2、F3满足：
F(x)＝a· x
式中，F为F1、F2或F3，x为缺口的尺寸参量，a为比例系数，取值为0.1～0.4。
7.根据权利要求1所述的FOD缺口型损伤的疲劳性能预测方法，其特征在于：所述步骤(2)中，假设小缺口位于FOD缺口型损伤底部的中间位置。
8.根据权利要求1所述的FOD缺口型损伤的疲劳性能预测方法，其特征在于：所述步骤(4)中，所构建的叠加缺口模型为2维模型，且叠加缺口应力集中区域附近网格需做局部细化处理。
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