CN112729795A - 一种叶根缘板过渡特征模拟试样 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种叶根缘板过渡特征模拟试样，包括顺次相连的中部凸台、叶根缘板过渡段、标距段、大圆弧过渡段和夹持段，标距段由外凸面构成，模拟叶背特征，曲面曲率依据真实涡轮叶片危险点曲率设计，中部凸台与标距段相连处连接过渡构成叶根缘板过渡段，叶根缘板过渡段依据真实叶片的叶根缘板过渡处曲率设计，与真实叶片叶根缘板过渡特征几何相似，在受到纵向拉伸或一阶弯曲共振状态下考核点的应力分布与真实叶片叶根处应力分布相似。大圆弧过渡段连接标距段和夹持段，采用大圆弧过渡段保证标距段在试验中首先发生破坏，叶根缘板过渡段在共振状态下增大试样中部振幅，增大试样考核点弯曲应力，使得考核点应力分布与叶片叶根处应力分布相似。

Description

一种叶根缘板过渡特征模拟试样

技术领域

本发明涉及机械工程技术领域，特别是涉及一种叶根缘板过渡特征模拟试样。

背景技术

叶片类结构是航空发动机和燃气轮机的耐久性流道件，承受着高频激振和离心力耦合作用下的双轴高低周复合疲劳作用。先进航空发动机更加注重长寿命设计，研究叶片类结构在高温高频激振下的高低周复合疲劳行为具有重要意义。不同于标准光棒和平板在传统轴向载荷加载下的单轴高低周疲劳研究，双轴加载中同时模拟激振频率、弯曲应力和关键结构细节是制约试验研究的关键技术问题。建立适用于高温高频激振载荷下的高低周疲劳用试验件具有重要意义。

目前的复合疲劳试验往往是采用圆棒或平板试样，由于叶片几何造型复杂，此类试样并不能反映具有应力梯度的真实叶片的疲劳特性。由此提出的寿命预测模型能否应用于实际叶片存在一定的疑问。并且大部分加载方案高周激振载荷与低周拉伸载荷同轴，现有技术中，参考文献[1](侯静泳，陶表福，谢济洲，GH901合金的高低周复合疲劳及其累积损伤研究[C]，//中国航空学会，中国航空学会第五届发动机结构强度振动学术会议论文集，1990:402～406页)中，对GH901合金的棒状和板状试样加载CCF载荷进行了试验研究，并对波形进行分解利用线性损伤累计理论进行了寿命计算。参考文献[2](侯静泳，蔡肇云，屠一鹤，TC-11钛合金高低周复合疲劳及损伤累积研究，航空动力学报，1992，7(2):135-138)中，系统地研究了TC-11钛合金在室温和高温下的CCF行为，其中主要研究了应力比、温度和缺口对寿命的影响，研究结果表明CCF寿命会随应力比的增加而明显降低，且存在拐点；温度同样会大幅降低CCF寿命。采用单轴加载方案的学者均得出CCF相对于纯低周或纯高周疲劳，其寿命下降更严重。也有不少学者采用真实叶片试验，参见参考文献[3](闫晓军，孙瑞杰，邓瑛，涡轮叶片复合疲劳特性曲线及其规律的试验[J].航空动力学报，2011，26(8):1824-1829)，但叶片试验成本较高，并且对夹持装置提出很高的要求，试验难度较大。

因此，平板、圆棒及叶片试样方案存在以下几个问题：(1)平板与圆棒试样试验过程中考核点应力分布与真实叶片服役时应力分布相差较大。(2)大部分平板与圆棒试样进行的是单轴复合疲劳试验，与真实叶片双轴受载有差异，因此得出的试验结论能否应用于实际叶片存在一定的疑问。(3)采用真实叶片进行双轴复合疲劳试验成本较高，对于夹具设计要求较高，夹持难度大，试验难度较大。(4)真实叶片试样数目往往较少，对于材料的疲劳特性研究以及叶片某处特征研究而言数据较少。

因此，如何克服复合疲劳试验用试样无法模拟真实叶片受载以及采用真实叶片试验成本较高的缺点，发展新的高低周疲劳用模拟件设计方法成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种叶根缘板过渡特征模拟试样，以克服上述现有技术的不足，使试样能够模拟同类载荷下实际叶片叶根处受力情况，提高复合疲劳试验的结果准确度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种叶根缘板过渡特征模拟试样，包括顺次相连的中部凸台、叶根缘板过渡段、标距段、大圆弧过渡段和夹持段，所述叶根缘板过渡段、所述标距段、所述大圆弧过渡段和所述夹持段的数量均为两段，所述叶根缘板过渡段、所述标距段、所述大圆弧过渡段、所述夹持段均对称设置于所述中部凸台的两端，所述标距段的顶面和底面均为凸起的曲面，所述标距段的曲面曲率与真实叶片的危险点曲率相一致，所述叶根缘板过渡段的顶面和底面、所述大圆弧过渡段的顶面和底面均为凹陷的曲面，所述叶根缘板过渡段的曲面曲率与真实叶片的叶根缘板过渡处曲率相一致，所述大圆弧过渡段的曲面的曲率半径较所述叶根缘板过渡段的曲面的曲率半径大，所述夹持段能够与试验夹具相连；所述中部凸台、所述叶根缘板过渡段、所述标距段、所述大圆弧过渡段、所述夹持段均采用叶片材料制成。

优选地，所述叶根缘板过渡特征模拟试样，分别以长度方向的中线、厚度方向的中线为对称轴，呈对称结构。

优选地，所述夹持段与所述大圆弧过渡段相连一端的厚度和宽度较所述夹持段远离所述大圆弧过渡段一端的厚度和宽度小，所述夹持段的顶面、底面和厚度方向的侧面均为楔形面。

优选地，所述叶根缘板过渡特征模拟试样，还包括调频质量块，所述调频质量块与所述中部凸台可拆装连接。

优选地，所述调频质量块与所述中部凸台相连时，所述调频质量块套装于所述中部凸台的外部且二者抵接。

优选地，所述调频质量块为分体式对称结构，所述调频质量块包括两块相对设置的锁紧块，两块所述锁紧块能够利用锁紧螺栓相连并压紧所述中部凸台。

优选地，所述中部凸台为长方体结构，所述中部凸台的厚度较两块所述锁紧块的厚度之和大。

优选地，所述中部凸台的厚度较所述标距段的厚度大，所述大圆弧过渡段与所述夹持段相连一端的厚度较所述大圆弧过渡段与所述标距段相连一端的厚度厚，所述中部凸台的宽度与所述标距段的宽度相等，所述大圆弧过渡段与所述夹持段相连一端的宽度较所述大圆弧过渡段与所述标距段相连一端的宽度宽，所述大圆弧过渡段的厚度方向的侧面为曲面。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的叶根缘板过渡特征模拟试样，包括顺次相连的中部凸台、叶根缘板过渡段、标距段、大圆弧过渡段和夹持段，叶根缘板过渡段、标距段、大圆弧过渡段和夹持段的数量均为两段，叶根缘板过渡段、标距段、大圆弧过渡段、夹持段均对称设置于中部凸台的两端，标距段的顶面和底面均为凸起的曲面，标距段的曲面曲率与真实叶片的危险点曲率相一致，叶根缘板过渡段的顶面和底面、大圆弧过渡段的顶面和底面均为凹陷的曲面，叶根缘板过渡段的曲面曲率与真实叶片的叶根缘板过渡处曲率相一致，大圆弧过渡段的曲面的曲率半径较叶根缘板过渡段的曲面的曲率半径大，夹持段能够与试验夹具相连；中部凸台、叶根缘板过渡段、标距段、大圆弧过渡段、夹持段均采用叶片材料制成。本发明的叶根缘板过渡特征模拟试样，用于进行双轴无干涉高低周复合疲劳试验，标距段由外凸面构成，模拟叶背特征，曲面曲率依据真实涡轮叶片危险点曲率设计，中部凸台与标距段相连处连接过渡构成叶根缘板过渡段，叶根缘板过渡段依据真实叶片的叶根缘板过渡处曲率设计，与真实叶片叶根缘板过渡特征几何相似。本发明的叶根缘板过渡特征模拟试样，在受到纵向拉伸或一阶弯曲共振状态下考核点的应力分布与真实叶片叶根处应力分布相似，大圆弧过渡段连接标距段和夹持段，采用大圆弧过渡段保证标距段在试验中首先发生破坏，叶根缘板过渡段在共振状态下增大试样中部振幅，增大试样考核点弯曲应力，使得考核点应力分布与叶片叶根处应力分布相似。利用本发明的叶根缘板过渡特征模拟试样进行复合疲劳试验，能够提高试验结果的精确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的叶根缘板过渡特征模拟试样的结构示意图；

图2为本发明的叶根缘板过渡特征模拟试样的中部凸台与调频质量块相连时的示意图；

图3为本发明的叶根缘板过渡特征模拟试样在纵向拉伸和一阶弯曲共振状态下考核点应力分布示意图；

其中，100为叶根缘板过渡特征模拟试样，1为中部凸台，2为叶根缘板过渡段，3为标距段，4为大圆弧过渡段，5为夹持段，6为考核点，7为调频质量块，8为锁紧块，9为锁紧螺栓。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种叶根缘板过渡特征模拟试样，以克服上述现有技术的不足，使试样能够模拟同类载荷下实际叶片叶根处受力情况，提高复合疲劳试验的结果准确度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1-3，其中，图1为本发明的叶根缘板过渡特征模拟试样的结构示意图，图2为本发明的叶根缘板过渡特征模拟试样的中部凸台与调频质量块相连时的示意图，图3为本发明的叶根缘板过渡特征模拟试样在纵向拉伸和一阶弯曲共振状态下考核点应力分布示意图。

本发明提供一种叶根缘板过渡特征模拟试样100，包括顺次相连的中部凸台1、叶根缘板过渡段2、标距段3、大圆弧过渡段4和夹持段5，叶根缘板过渡段2、标距段3、大圆弧过渡段4和夹持段5的数量均为两段，叶根缘板过渡段2、标距段3、大圆弧过渡段4、夹持段5均对称设置于中部凸台1的两端，标距段3的顶面和底面均为凸起的曲面，标距段3的曲面曲率与真实叶片的危险点曲率相一致，叶根缘板过渡段2的顶面和底面、大圆弧过渡段4的顶面和底面均为凹陷的曲面，叶根缘板过渡段2的曲面曲率与真实叶片的叶根缘板过渡处曲率相一致，大圆弧过渡段4的曲面的曲率半径较叶根缘板过渡段2的曲面的曲率半径大，夹持段5能够与试验夹具相连；中部凸台1、叶根缘板过渡段2、标距段3、大圆弧过渡段4、夹持段5均采用叶片材料制成。

本发明的叶根缘板过渡特征模拟试样100，用于进行双轴无干涉高低周复合疲劳试验，标距段3由外凸面构成，模拟叶背特征，曲面曲率依据真实涡轮叶片危险点曲率设计，中部凸台1与标距段3相连处连接过渡构成叶根缘板过渡段2，叶根缘板过渡段2依据真实叶片的叶根缘板过渡处曲率设计，与真实叶片叶根缘板过渡特征几何相似。本发明的叶根缘板过渡特征模拟试样100，在受到纵向拉伸或一阶弯曲共振状态下考核点6的应力分布与真实叶片叶根处应力分布相似，大圆弧过渡段4连接标距段3和夹持段5，采用大圆弧过渡段4保证标距段3在试验中首先发生破坏，叶根缘板过渡段2在共振状态下增大试样中部振幅，增大试样考核点6弯曲应力，使得考核点6应力分布与叶片叶根处应力分布相似。利用本发明的叶根缘板过渡特征模拟试样100进行高温高频激振下的双轴高低周复合疲劳试验，能够提高试验结果的精确度。

需要说明的是，叶根缘板过渡特征模拟试样100，分别以长度方向的中线、厚度方向的中线为对称轴，呈对称结构。叶根缘板过渡特征模拟试样100厚度方向对称设计，标距段3由双凸曲面构成，用于模拟叶片叶背特征，无论哪一侧发生破坏均考核叶背特征。叶根缘板过渡特征模拟试样100纵向对称设计，当激振力使夹具与试样达到共振时，试样首先进入一阶弯曲模态，然后增大考核点6弯曲应力，使高周载荷顺利传递到考核点6，实现双轴无干涉加载。

具体地，夹持段5与大圆弧过渡段4相连一端的厚度和宽度较夹持段5远离大圆弧过渡段4一端的厚度和宽度小，夹持段5的顶面、底面和厚度方向的侧面均为楔形面。在进行高低周复合疲劳试验时，若标距段3外区域首先发生破坏则认为试样设计失败，因此，为了保证所设计试样标距段3首先发生破坏，在试验中试样其他部位应力水平应保持较低水平，并且不能出现严重的应力集中；因此，夹持段5采用双楔形面设计，在试样受拉伸载荷时，试样夹持段5四个平面同时承力，相较于销钉孔传力的方式，增大了承载面积，减小应力集中程度，保证标距段3优先发生破坏。同时，夹持段5能够与试验用夹具自动锁紧，增大夹持面积，保证良好的对中性，提高夹持稳定性。

更具体地，叶根缘板过渡特征模拟试样100，还包括调频质量块7，调频质量块7与中部凸台1可拆装连接。试验时，当激振力使夹具与试样达到共振时，试样首先进入一阶弯曲模态，中部凸台1安装调频质量块7，在共振状态下增大考核点6弯曲应力，使高周载荷顺利传递到考核点6，实现双轴无干涉加载。

在本具体实施方式中，调频质量块7与中部凸台1相连时，调频质量块7套装于中部凸台1的外部且二者抵接，调频质量块7能够增大考核点6弯曲应力，使高周载荷顺利传递到考核点6。

为了方便安装，调频质量块7为分体式对称结构，调频质量块7包括两块相对设置的锁紧块8，安装时，将两块锁紧块8对称置于中部凸台1的两侧，两块锁紧块8能够利用锁紧螺栓9相连并紧固中部凸台1，锁紧块8与锁紧螺栓9螺纹连接，操作便捷，提高了结构稳定性。

另外，为了方便锁紧块8紧固中部凸台1，中部凸台1为长方体结构，中部凸台1的厚度较两块锁紧块8的厚度之和大，利用锁紧螺栓9即可紧固两块锁紧块8，使锁紧块8与中部凸台1抵接，提高结构可靠性。

进一步地，中部凸台1的厚度较标距段3的厚度大，方便与调频质量块7相连，大圆弧过渡段4与夹持段5相连一端的厚度较大圆弧过渡段4与标距段3相连一端的厚度厚，中部凸台1的宽度与标距段3的宽度相等，大圆弧过渡段4与夹持段5相连一端的宽度较大圆弧过渡段4与标距段3相连一端的宽度宽，大圆弧过渡段4的厚度方向的侧面为曲面，大圆弧过渡段4使得标距段3与夹持段5圆滑过渡，减少应力集中，保证标距段3在试验时能够首先发生破坏。

更进一步地，在本具体实施方式中，标距段3的双凸面与叶根缘板过渡段2的表面光洁度需满足一定要求，避免引入较大的高周疲劳分散性。除此之外，标距段3的曲率加工应满足一定的公差范围，表征标距段3的双曲面与真实叶片叶背的几何相似性。

本发明的叶根缘板过渡特征模拟试样100，标距段3由双凸曲面构成，用于模拟叶片叶背特征，曲面曲率依据真实涡轮叶片危险点曲率设计，标距段3曲率处处相等；中部凸台1与标距段3连接处构成的特征模拟叶根缘板过渡特征，依据真实叶片的叶根缘板过渡处曲率设计，与真实叶片叶根缘板过渡特征几何相似，试样在受纵向拉伸或一阶弯曲共振状态下考核点6应力分布具有应力梯度，与同类载荷下实际叶片叶根处应力分布相似；试样厚度方向对称设计，无论哪一侧发生破坏均考核叶背特征；试样采用纵向对称设计，当激振力使夹具与试样达到共振时，试样首先进入一阶弯曲模态，中部凸台1安装调频质量块7，在共振状态下增大考核点6弯曲应力，使高周载荷顺利传递到考核点6，实现双轴无干涉加载。除此之外，夹持段5采用双楔形面设计，施加载荷时四平面受力，与夹具自动锁紧，增大夹持面积，保证良好的对中性，夹持方便；试样夹持段5与标距段3通过大圆弧过渡连接，减小应力集中的影响，保证标距段3优先发生破坏。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种叶根缘板过渡特征模拟试样，其特征在于：包括顺次相连的中部凸台、叶根缘板过渡段、标距段、大圆弧过渡段和夹持段，所述叶根缘板过渡段、所述标距段、所述大圆弧过渡段和所述夹持段的数量均为两段，所述叶根缘板过渡段、所述标距段、所述大圆弧过渡段、所述夹持段均对称设置于所述中部凸台的两端，所述标距段的顶面和底面均为凸起的曲面，所述标距段的曲面曲率与真实叶片的危险点曲率相一致，所述叶根缘板过渡段的顶面和底面、所述大圆弧过渡段的顶面和底面均为凹陷的曲面，所述叶根缘板过渡段的曲面曲率与真实叶片的叶根缘板过渡处曲率相一致，所述大圆弧过渡段的曲面的曲率半径较所述叶根缘板过渡段的曲面的曲率半径大，所述夹持段能够与试验夹具相连；所述中部凸台、所述叶根缘板过渡段、所述标距段、所述大圆弧过渡段、所述夹持段均采用叶片材料制成。

2.根据权利要求1所述的叶根缘板过渡特征模拟试样，其特征在于：所述叶根缘板过渡特征模拟试样，分别以长度方向的中线、厚度方向的中线为对称轴，呈对称结构。

3.根据权利要求1所述的叶根缘板过渡特征模拟试样，其特征在于：所述夹持段与所述大圆弧过渡段相连一端的厚度和宽度较所述夹持段远离所述大圆弧过渡段一端的厚度和宽度小，所述夹持段的顶面、底面和厚度方向的侧面均为楔形面。

4.根据权利要求1所述的叶根缘板过渡特征模拟试样，其特征在于：还包括调频质量块，所述调频质量块与所述中部凸台可拆装连接。

5.根据权利要求4所述的叶根缘板过渡特征模拟试样，其特征在于：所述调频质量块与所述中部凸台相连时，所述调频质量块套装于所述中部凸台的外部且二者抵接。

6.根据权利要求5所述的叶根缘板过渡特征模拟试样，其特征在于：所述调频质量块为分体式对称结构，所述调频质量块包括两块相对设置的锁紧块，两块所述锁紧块能够利用锁紧螺栓相连并压紧所述中部凸台。

7.根据权利要求6所述的叶根缘板过渡特征模拟试样，其特征在于：所述中部凸台为长方体结构，所述中部凸台的厚度较两块所述锁紧块的厚度之和大。

8.根据权利要求1所述的叶根缘板过渡特征模拟试样，其特征在于：所述中部凸台的厚度较所述标距段的厚度大，所述大圆弧过渡段与所述夹持段相连一端的厚度较所述大圆弧过渡段与所述标距段相连一端的厚度厚，所述中部凸台的宽度与所述标距段的宽度相等，所述大圆弧过渡段与所述夹持段相连一端的宽度较所述大圆弧过渡段与所述标距段相连一端的宽度宽，所述大圆弧过渡段的厚度方向的侧面为曲面。

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