CN112525587B - 风扇叶片榫头元件级强度试验件取样方法 - Google Patents

风扇叶片榫头元件级强度试验件取样方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种风扇叶片榫头元件级强度试验件取样方法，其基于金字塔试验验证策略，获取风扇叶片局部强度性能和识别风扇叶片的设计薄弱点，支撑风扇叶片的零件级试验，包括以下步骤：S1、在所述风扇叶片上确定取样位置，以获得元件级的试验件，所述取样位置位于所述风扇叶片的榫头和伸根段；S2、确定试验件的大小和试验件的数量；S3、对所述风扇叶片进行所述试验件的取样；S4、对取样后的所述试验件进行二次加工和装夹。本发明能够适应复合材料风扇叶片的局部特征，可以获得叶片局部强度性能以及相应典型破坏形式，有利于识别设计薄弱点；能够验证复合材料风扇叶片工艺一致性，判断复材叶片的工艺稳定性。

Description

风扇叶片榫头元件级强度试验件取样方法
技术领域
本发明涉及航空发动机叶片强度试验领域，特别涉及一种风扇叶片榫头元件级强度试验件取样方法。
背景技术
现有技术中，航空发动机具有转、静子两类工作叶片，工作过程中，叶片做功。其中，风扇叶片位于进气道最前端，其通过高速旋转起到引气及产生推力的作用，主要由榫头和叶身组成。正常工况下，风扇叶片主要承受气动载荷和离心载荷作用，榫头将载荷传递给风扇盘。
随着航空发动机技术朝着质量更轻、可靠性更高、经济性更好的方向发展，大涵道比涡轮风扇航空发动机得到广泛应用，大尺寸风扇叶片成为了各涡扇航空发动机承制商的必然选择。
为了满足高推重比要求，金属风扇叶片逐渐被取代。20世纪60年代，复合材料以一种新材料进入大家的视线，因其具有比强度和比模量高、性能可设计以及易于整体成型等优势，复合材料技术迅速崛起，已经与铝合金、钛合金以及合金钢一起成为了航空航天四大结构材料。
目前，复合材料风扇叶片已在国外成熟涡扇航空发动机中得到了较好应用，实践证明，复合材料新技术在涡扇航空发动机中具有广阔的应用前景。
然而，国内尚无成熟复合材料风扇叶片应用到航空发动机中，在复合材料风扇叶片研制过程中，通常会采用金字塔试验验证策略对设计进行验证，而且复合材料风扇叶片属于各向异性，同时复材风扇叶片性能受工艺影响较大。因此需要根据风扇叶片局部受力特点和空间构型有针对性地开展相应的元件级强度试验，其中元件级试验是零件级的下一级别试验。
有鉴于此，本领域技术人员设计了一种风扇叶片榫头元件级强度试验件取样方法，以期克服上述技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中复合材料风扇叶片属于各向异性，且复合材料风扇叶片性能受工艺影响较大等缺陷，提供一种风扇叶片榫头元件级强度试验件取样方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
一种风扇叶片榫头元件级强度试验件取样方法，其特点在于，所述风扇叶片元件级强度试验件取样方法基于金字塔试验验证策略，获取风扇叶片局部强度性能和识别风扇叶片的设计薄弱点，支撑风扇叶片的零件级试验，包括以下步骤：
S1、在所述风扇叶片上确定取样位置，以获得元件级的试验件，所述取样位置位于所述风扇叶片的榫头和伸根段；
S2、确定试验件的大小和试验件的数量；
S3、对所述风扇叶片进行所述试验件的取样；
S4、对取样后的所述试验件进行二次加工和装夹。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S1中具体包括：分别选取在叶片受力最大的位置来获得榫头部位的强度和最易发生工艺缺陷的位置来评估叶片的工艺稳定性。
根据本发明的一个实施例，所述叶片受力最大的位置结合叶片的静强度分析中的最易导致叶片发生失效的应力分量来确定。
根据本发明的一个实施例，所述叶片受力最大的位置为叶片沿轴向的中间位置。
根据本发明的一个实施例，所述最易发生工艺缺陷的位置结合叶片本身的结构特点和成型后叶片的无损检测来共同确定。
根据本发明的一个实施例，所述最易发生工艺缺陷的位置为叶片前缘和叶片中间位置。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S2中具体包括：所述试验件的宽度为15mm-30mm之间，所述试验件的高度高于流道线。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S2中具体还包括：若最易发生工艺缺陷的位置和叶片受力最大的位置位于同一位置，则需要取一件试验件；若最易发生工艺缺陷的位置和叶片受力最大的位置不重合，则需要取至少两件试验件。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S3中具体包括：采用干切对所述试验件进行取样。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S4中具体包括：所述试验件的加载端两侧设置加强片，所述加强片与所述试验件的本体两侧型面贴合并胶接，所述试验件加载时的夹持段的高度为整个所述试验件的高度的40%-50%，所述夹持段的宽度为所述试验件的轴向宽度的2.5-3倍。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S4中还具体包括：在所述试验件的加载端开设有多列螺栓通孔，所述试验件的加载端通过所述螺栓通孔与加载机构连接，所述试验件的榫头端通过榫头与榫槽配合安装在试验台架上。
本发明的积极进步效果在于：
本发明风扇叶片榫头元件级强度试验件取样方法具有如下诸多优势：
一、方案针对性强，能够适应复合材料风扇叶片的局部特征；
二、试验验证目的明确，可以获得叶片局部强度性能以及相应典型破坏形式，有利于识别设计薄弱点；
三、能够验证复合材料风扇叶片工艺一致性，判断复材叶片的工艺稳定性；
四、提出的试验策略可操作性、可实现性强；
五、试验周期短，有利于降低试验费用，缩短试验周期，且降低研发成本；
六、能够为各向异性风扇叶片试验验证实施提供参考。
附图说明
本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
图1为金字塔试验验证策略示意图。
图2为本发明风扇叶片榫头元件级强度试验件取样方法的复合材料风扇叶片的示意图。
图3为本发明风扇叶片榫头元件级强度试验件取样方法中叶根应力相对整个风扇叶片的分布示意图。
图4为本发明风扇叶片榫头元件级强度试验件取样方法中叶根榫头拉伸试验件取样位置示意图。
图5为本发明风扇叶片榫头元件级强度试验件取样方法中叶根榫头拉伸试验件的结构示意图。
图6为本发明风扇叶片榫头元件级强度试验件取样方法中叶根榫头拉伸试验件示意图。
图7为本发明风扇叶片榫头元件级强度试验件取样方法中叶根榫头拉伸试验加载示意图。
图8为本发明风扇叶片榫头元件级强度试验件取样方法中叶根榫头拉伸试验加载示意图。
具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
现在将详细参考附图描述本发明的实施例。现在将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。
此外，尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本发明说明书中所提及的一些术语，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。
此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。
本发明提供了一种风扇叶片榫头元件级强度试验件取样方法，其基于金字塔试验验证策略，获取风扇叶片局部强度性能和识别风扇叶片的设计薄弱点，支撑风扇叶片的零件级试验。具体地说，元件级试验属于材料级试验的上一级，零件级试验的下一级（如附图1所示），用来支撑零件级试验。元件级试验主要为了获得叶片局部强度性能以及相应典型破坏形式，识别设计上的不足，也能够识别一定程度的工艺问题。基于以上目的，元件级试验件取样基于整个叶片，能够适应风扇叶片空间曲面构型的特点，同时结合局部受力特点和工艺验证需求进行选取。
如图1所示，复合材料风扇叶片榫头元件级强度试验取样方法，主要根据叶片局部受力特点和空间构型而进行强度试验件取样并提出了相应的试验策略。
如图2所示，复合材料风扇叶片中标示了叶尖10、前缘20、尾缘30、流道线以及榫头40位置，前缘20为进气边，尾缘30为排气边，虚线50所示为流道线，虚线60所示为叶片榫头40高度。正常工况下，风扇叶片主要承受离心载荷和气动载荷，风扇叶片所受载荷通过榫头传递给风扇盘。
如图3所示，叶根榫头附近为大应力区而且应力分布梯度较大，榫头强度对整个风扇叶片的承载能力起着决定性作用。
在元件级强度试验取样时，一方面为了获得榫头部位的强度性能，另一方面为了验证叶片制备工艺的稳定性和一致性。叶根榫头元件级强度试验件取于叶片根部，如图4中阴影部分所示。根据叶根榫头40受载特点，主要对榫头40试验件进行拉伸强度测试，用于模拟叶片受离心载荷作用下，其应变随拉伸载荷的变化规律及其极限承载能力，失效位置及失效应变。
所述风扇叶片榫头元件级强度试验件取样方法包括以下步骤：
S1、在所述风扇叶片上确定取样位置，以获得元件级的试验件，所述取样位置位于所述风扇叶片的榫头和伸根段。
优选地，所述步骤S1中具体包括：分别选取在叶片受力最大的位置来获得榫头部位的强度和最易发生工艺缺陷的位置来评估叶片的工艺稳定性。
所述叶片受力最大的位置结合叶片的静强度分析中的最易导致叶片发生失效的应力分量来确定。所述叶片受力最大的位置为叶片沿轴向的中间位置。所述最易发生工艺缺陷的位置结合叶片本身的结构特点和成型后叶片的无损检测（超声A扫描、超声C扫描）结果来共同确定。所述最易发生工艺缺陷的位置为叶片前缘和叶片中间位置。
具体地说，在试验件设计时，轴向位置的选取应分别考虑，分别选取在叶片受力最大的位置来获得榫头部位的强度和最易发生工艺缺陷的位置来评估叶片的工艺稳定性。其中，叶片受力最大的位置结合叶片的静强度分析中的最易导致叶片发生失效的应力分量来确定，一般为叶片沿轴向的中间位置，最易发生工艺缺陷的位置需要结合叶片本身的结构特点和成型后叶片的无损检测（超声A扫描、超声C扫描）结果来共同确定，一般为叶片前缘和叶片中间位置。
S2、确定试验件的大小和试验件的数量。
优选地，所述步骤S2中具体包括：所述试验件的宽度W1为15mm-30mm之间，所述试验件的高度H高于风扇叶片的流道线。
所述步骤S2中具体还包括：若最易发生工艺缺陷的位置和叶片受力最大的位置位于同一位置，则需要取一件试验件。若最易发生工艺缺陷的位置和叶片受力最大的位置不重合，则需要取至少两件试验件。
具体地说，试验件的宽度应根据复合材料内部的增强结构确定，必须确保试验件具备一定的宽度，使其测得的强度性能能够代表叶片的性能，且在测试过程中不发生不必要的变形（如扭转），但宽度又不能太大，否则会导致试验载荷增大，无法满足试验要求。一般选取试验件宽度在15mm~30mm之间。
试验件的高度应高于风扇叶片的流道线，主要是为了保证试验件能有效表征叶片伸根段和榫头位置的受力状态。
试验件的数量可根据验证内容的需要进行适当地调整。一般的，如果最易发生工艺缺陷和叶片受力最大的位置位于同一位置，则可取试验件1件。若两者位置不重合，则需至少取样2件。试验件取样最大的数量由叶片的宽度和试验件的宽度确定。
S3、对所述风扇叶片进行所述试验件取样。
优选地，所述步骤S3中具体包括：采用干切对所述试验件进行取样。
具体地说，进行试验件取样时，应禁用各类冷却液，只可干切，可风冷。拉伸段曲面不允许上胶涂胶，不可接触任何化学溶剂，如丙酮、香蕉水等。拉伸段不允许有任何刮擦等痕迹。试验件加工过程中不允许存在任何层间剥离现象。非CFRP（碳纤维增强复合材料）专用钻头不得用于试验件的孔加工。
S4、对取样后的所述试验件进行二次加工和装夹。
优选地，所述步骤S4中具体包括：所述试验件的加载端两侧设置加强片，所述加强片与所述试验件的本体两侧型面贴合并胶接，所述试验件加载时的夹持段的高度为整个所述试验件的高度的40%-50%，所述夹持段的宽度为所述试验件的轴向宽度的2.5-3倍。
所述步骤S4中还具体包括：在所述试验件的加载端开设有多列螺栓通孔，所述试验件的加载端通过所述螺栓通孔与加载机构连接，所述试验件的榫头端通过榫头与榫槽配合安装在试验台架上。
如图5和图6所示，叶根榫头拉伸强度试验中试验件高度为H，用于试验加载时的夹持段高度为H1，试验件夹持段至榫头底面的高度为H2。为了便于试验和加载装置连接以及保护试验件本体a，在试验件加载端两侧设置有加强片b，加强片b与试验件本体a两侧型面完全贴合，并胶接。为了保证强度试验加载有效性，夹持段高度大约选取整个试验件高度的40%~50%，夹持段宽度W2约为试验件本体轴向宽度W1的2.5~3.0倍。
如图7和图8所示，为了方便加载以及保障加载的稳定性，在试验件加载端开设了两列螺栓通孔70，试验件加载端通过螺栓与加载机构连接，连接螺栓的直径和加载端上螺栓孔的数量根据拉伸载荷的大小确定，榫头端通过榫头40与榫槽配合安装于试验台架上。为了保证榫头40拉伸载荷的正确加载，加载前应确定试验件和加载装置的对中状态是否良好。通过叶片根部榫头拉伸强度试验可以获得叶片根部的拉伸强度以及典型破坏形式，并能准确识别叶片根部设计薄弱点，为验证叶片的承载能力提供支撑。
复合材料风扇叶片榫头元件级强度试验可在力学性能试验机上进行，试验可操作性、可实现性强，同时元件级强度试验结果可以用来验证不同批次叶片之间的工艺稳定性是否满足设计要求。
根据上述描述，在复合材料风扇叶片研制过程中，通常会采用金字塔试验验证策略对设计进行验证。本发明风扇叶片榫头元件级强度试验件取样方法根据复合材料风扇叶片局部受力特点和空间构型，提出风扇叶片榫头元件级强度试验件取样策略，并对元件级试验件开展强度试验，以期验证风扇叶片局部强度性能，获得其典型破坏形式，并可以用来验证不同叶片以及不同位置之间的工艺一致性是否满足要求，支撑叶片零件级试验。
为了验证复合材料风扇叶片局部强度性能，获得其典型破坏形式，并验证复合材料风扇叶片工艺稳定性，本发明基于金字塔试验验证策略，为获取风扇叶片局部强度性能和识别风扇叶片的设计薄弱点，支撑风扇叶片的零件级试验，提出了一种叶片元件级强度试验件取样方法，包括试验件取样方法以及相应的强度试验策略。
所述风扇叶片榫头元件级强度试验件取样方法根据复合材料风扇叶片局部受力特点和空间构型有针对性开展叶片榫头元件级拉伸强度试验验证，叶根榫头拉伸试验件选取于叶片根部，包括叶片榫头和伸根段。通过叶根榫头拉伸试验可以获得叶片根部的拉伸强度以及典型破坏形式，并准确识别叶根位置设计薄弱点。复合材料风扇叶片榫头元件级强度试验可在力学性能试验机上进行，试验可操作性、可实现性强，同时元件级强度试验结果可以用来验证不同批次叶片之间或者不同位置之间的工艺稳定性是否满足设计要求。
综上所述，本发明风扇叶片榫头元件级强度试验件取样方法具有如下诸多优势：
一、方案针对性强，能够适应复合材料风扇叶片的局部特征；
二、试验验证目的明确，可以获得叶片局部强度性能以及相应典型破坏形式，有利于识别设计薄弱点；
三、能够验证复合材料风扇叶片工艺一致性，判断复材叶片的工艺稳定性；
四、提出的试验策略可操作性、可实现性强；
五、试验周期短，有利于降低试验费用，缩短试验周期，且降低研发成本；
六、能够为各向异性风扇叶片试验验证实施提供参考。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种风扇叶片榫头元件级强度试验件取样方法，其特征在于，所述风扇叶片元件级强度试验件取样方法基于金字塔试验验证策略，所述金字塔试验验证策略由下至上依次为材料级试验、元件级试验、零件级试验、组件级试验和整机级试验；
所述风扇叶片榫头元件级强度试验件取样方法获取风扇叶片局部强度性能和识别风扇叶片的设计薄弱点，支撑风扇叶片的零件级试验，包括以下步骤：
S1、在所述风扇叶片上确定取样位置，以获得元件级的试验件，所述取样位置位于所述风扇叶片的榫头和伸根段；
S2、确定试验件的大小和试验件的数量；
S3、对所述风扇叶片进行所述试验件的取样；
S4、对取样后的所述试验件进行二次加工和装夹；
所述步骤S1中具体包括：分别选取在叶片受力最大的位置来获得榫头部位的强度和最易发生工艺缺陷的位置来评估叶片的工艺稳定性。
2.如权利要求1所述的风扇叶片榫头元件级强度试验件取样方法，其特征在于，所述叶片受力最大的位置结合叶片的静强度分析中的最易导致叶片发生失效的应力分量来确定。
3.如权利要求2所述的风扇叶片榫头元件级强度试验件取样方法，其特征在于，所述叶片受力最大的位置为叶片沿轴向的中间位置。
4.如权利要求1所述的风扇叶片榫头元件级强度试验件取样方法，其特征在于，所述最易发生工艺缺陷的位置结合叶片本身的结构特点和成型后叶片的无损检测来共同确定。
5.如权利要求4所述的风扇叶片榫头元件级强度试验件取样方法，其特征在于，所述最易发生工艺缺陷的位置为叶片前缘和叶片中间位置。
6.如权利要求1所述的风扇叶片榫头元件级强度试验件取样方法，其特征在于，所述步骤S2中具体包括：所述试验件的宽度为15mm-30mm之间，所述试验件的高度高于流道线。
7.如权利要求6所述的风扇叶片榫头元件级强度试验件取样方法，其特征在于，所述步骤S2中具体还包括：若最易发生工艺缺陷的位置和叶片受力最大的位置位于同一位置，则需要取一件试验件；若最易发生工艺缺陷的位置和叶片受力最大的位置不重合，则需要取至少两件试验件。
8.如权利要求1所述的风扇叶片榫头元件级强度试验件取样方法，其特征在于，所述步骤S3中具体包括：采用干切对所述试验件进行取样。
9.如权利要求1所述的风扇叶片榫头元件级强度试验件取样方法，其特征在于，所述步骤S4中具体包括：所述试验件的加载端两侧设置加强片，所述加强片与所述试验件的本体两侧型面贴合并胶接，所述试验件加载时的夹持段的高度为整个所述试验件的高度的40%-50%，所述夹持段的宽度为所述试验件的轴向宽度的2.5-3倍。
10.如权利要求9所述的风扇叶片榫头元件级强度试验件取样方法，其特征在于，所述步骤S4中还具体包括：在所述试验件的加载端开设有多列螺栓通孔，所述试验件的加载端通过所述螺栓通孔与加载机构连接，所述试验件的榫头端通过榫头与榫槽配合安装在试验台架上。
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