CN112881197A - 一种叶片前缘高周疲劳模拟件及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种叶片前缘高周疲劳模拟件及设计方法，模拟件采用三点弯曲结构形式，由外侧加载区域和内部试验考核段组成，加载区域整体呈“U型”，中间为凹槽加载位置、两端为销钉孔支撑位置，考核段截面为叶片前缘形状，与承载区域组成“T型”截面，受载状态下截面顶端为危险部位(应力最大)，主要设计步骤为：(1)根据叶片前缘几何尺寸，设计考核段截面几何尺寸，保证二者的几何一致性；(2)通过调整考核段长度、高度以及载荷大小，使危险部位应力水平达到材料高周疲劳极限，同时加载点位移满足高周疲劳试验机幅频特性要求；(3)设计并校核加载销钉、销钉孔强度，通过调整销钉孔部位的孔径，使安全系数满足设计要求。

Description

一种叶片前缘高周疲劳模拟件及设计方法
技术领域
本发明是一种针对航空发动机压气机叶片前缘高周疲劳模拟件及设计方法，它是一种能够考虑压气机叶片前缘几何形状、特定危险部位、加载稳定性、可加工性以及高周疲劳试验机幅频特性要求的高周疲劳模拟件设计方法，属于航空航天发动机技术领域。
背景技术
由于航空发动机性能的需求，压气机叶片往往厚度较薄且外形扭曲，在气流激振的作用下，面临着严峻的高周疲劳失效风险。此外，航空发动机在外场工作环境下，难以避免会吸入沙石等异物，对压气机叶片前缘造成损伤。为了在实验室环境研究外物损伤对叶片前缘高周疲劳性能的影响，需要开展针对压气机叶片前缘特征的高周疲劳模拟件设计工作。
目前开展高周疲劳试验主要有两种形式：一是与低周疲劳试验类似，利用单轴疲劳试验机施加高频载荷；二是利用振动测试台施加振动载荷，此方式主要用于真实构件级的高周疲劳试验，若为了研究叶片前缘局部特征的高周疲劳性能而采用振动台进行试验，一是成本较高，二是难以控制危险部位为叶片前缘，难以设计叶片前缘模拟件，在评估叶片前缘的高周疲劳性能方面具有显著的局限性。对于第一种试验形式，国外学者在参考文献(Thompson S R,Ruschau J J,Nicholas T.Influence of residual stresses on highcycle fatigue strength of Ti–6Al–4V subjected to foreign object damage[J].2001,23:405-412.)中设计了具有叶片前缘特征的单轴拉伸模拟件，然而单轴拉伸形式的模拟件在达到相同应力水平时，位移较大，根据高频疲劳机的幅频特性，试验加载频率低，因而周期长，成本高。一种有效的解决思路是利用专门设计的三点弯曲夹具在单轴疲劳机上实现弯曲载荷的施加，现有国家标准GB/T232-2010(金属材料弯曲试验方法)对三点弯曲试验的实施细则做出了规定，然而其三点弯曲的施加方式为开放式，用于高周疲劳试验存在加载不稳定，甚至滑落的问题。美国高周疲劳计划(Gallagher,J.et al.Advanced HighCycle Fatigue(HCF)Life Assurance Methodologies,Report#AFRL-ML-WP-TR-2005-4102,Air Force Research Laboratory,Wright-Patterson AFB,2004.)中设计了一种具有叶片前缘特征的弯曲模拟件，然后该模拟件在受弯方向上呈扁平状，弯曲刚性较弱，在受载状态下存在与上述单轴拉伸模拟件相同的问题。
总之，现有技术方案存在各自的不足，难以满足叶片前缘高周疲劳试验的各项要求：
(1)现有用于振动测试台的真实叶片试验件，难以控制叶片前缘为危险点。
(2)现有的单轴拉伸模拟件，刚性较差，受载下位移较大，难以满足高频疲劳机的幅频特性要求。
(3)现有的三点弯曲试验件，为开放式加载，易出现滑落问题。同时其结构为等高度形式，无法保证存在叶片前缘形状后的加工质量。
(4)现在叶片前缘模拟件的设计，仅从几何相似性的角度来设计，均未考虑受载变形大小和高频疲劳机相匹配的问题。
发明内容
本发明的技术解决方案：克服现有技术方案的不足，提供一种叶片前缘高周疲劳模拟件及设计方法，能够充分考虑压气机叶片前缘几何形状、特定危险部位、加载稳定性、可加工性以及高周疲劳试验机幅频特性要求，能够有效进行压气机叶片前缘高周疲劳试验，服务与支撑航空发动机压气机叶片疲劳性能评估。
本发明的技术解决方案：一种叶片前缘高周疲劳模拟件，所述模拟件整体为三点弯曲式T型模拟件，所述模拟件的中间部分是由待测试的前缘叶型组成等截面的试验考核段(1)，所述模拟件的外侧U形区域为三点弯曲加载部位(2)，所述中间部分与所述外侧U形区域之间通过圆角光滑过渡。
所述三点弯曲式T型模拟件，加载形式为三点弯曲，受载状态下理论危险点(应力最大)位于所述试验考核段(1)中间截面的顶部，所述试验考核段(1)与下方的所述三点弯曲加载部位(2)共同组成截面形状为T型的结构，有利于增加所述模拟件弯曲刚性，从而易于满足高频试验机的幅频特性要求。
所述等截面的试验考核段(1)的截面法向定义为沿所述模拟件最大尺寸长度方向，所述等截面的试验考核段(1)的截面形状为用于近似真实叶片前缘形状的一椭圆及与所述椭圆相切的两条直线。
所述三点弯曲加载部位(2)，整体呈U型结构，两端各有一个相同直径的销钉孔承载，底部通过一个圆弧凹槽(5)加载；所述销钉孔与所述圆弧凹槽(5)均由销钉进行加载或承载；所述圆弧凹槽(5)的半径大于对应的用于加载的所述销钉的半径。
所述三点弯曲加载部位(2)的顶部高于所述等截面的试验考核段(1)的顶部，高出的距离优选为1-2mm。
本发明的一种叶片前缘高周疲劳模拟件设计方法，包括如下步骤：
步骤1：根据待测试的叶片前缘几何尺寸，使用椭圆弧和直线设计模拟件的试验考核段截面，保证所述真实叶片前缘与所述试验考核段截面的几何一致性；
步骤2：设计模拟件整体外形，基于设计原则与有限元数值模拟，确定所述试验考核段高度h0、所述模拟件厚度t，通过调整所述试验考核段长度w、所述模拟件总高度h以及载荷大小F，使危险部位应力水平达到材料高周疲劳极限，同时加载点位移满足高周疲劳试验机幅频特性要求；
步骤3：设计并校核加载的销钉、销钉孔强度，通过调整销钉孔部位的孔径，使所述销钉和所述销钉孔的安全系数满足设计要求。
所述步骤2，所述试验考核段(1)的高度h0取满足危险点和圆角过渡应力集中效应互不影响要求的最小值，所述试验考核段高度h0优选为所述真实叶片叶尖前缘椭圆弧长轴长度的10倍。
所述步骤2，所述模拟件厚度t大于试验考核段底部厚度t0，所述模拟件厚度t优选为所述试验考核段(1)最大厚度2倍的圆整值。
所述步骤2中，所述试验考核段长度w、所述模拟件总高度h的选取原则为：加载点位移满足高频试验机幅频特性要求，同时所述模拟件尺寸尽可能小。
所述步骤3中，所述三点弯曲加载部位宽度a和所述模拟件总高度h取值相同，所述销钉孔位于所述三点弯曲加载部位(2)两端区域的中心。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明模拟件采用三点弯曲结构形式，受载状态下截面顶端为危险部位(应力最大)，采用三点弯曲的受力形式设计的叶片前缘模拟件，能够有效降低受载状态下的位移量，满足高频疲劳试验机幅频特性要求。
(2)本发明的模拟件由外侧加载区域和内部试验考核段组成，加载区域整体呈“U型”，中间为凹槽加载位置、两端为销钉孔支撑位置，考核段截面为叶片前缘形状，与承载区域组成“T型”截面，能够有效提高模拟件的弯曲刚性，进一步降低位移大小。
(3)本发明的试验考核段高度略低于两端加载部位高度，能够保证考核段的加工质量，提高良品率，使得本发明的模拟件具有良好的加工性能。
(4)本发明的加载-承载系统采用销钉-孔/槽的形式，孔的包容性和槽的半包容性相比于标准三点弯试验开放式加载，保证了对模拟件稳定可靠的加载。
(5)本发明针对高频疲劳试验机的幅频特性要求，提出了一种通过调整模拟件几何特征满足位移幅值限制值的设计方法，该方法简单有效，降低了模拟件设计的难度。
附图说明
图1为本发明的一种叶片前缘高周疲劳模拟件示意图，(a)、(c)为模拟件主视图，(b)为模拟件A-A剖视图，图中各尺寸的含义如下：w-试验考核段宽度；t-模拟件厚度；t0-试验考核段底部厚度；a-三点弯曲加载部位宽度；h-模拟件总高度；h0-试验考核段高度；φ-销钉孔直径；R-圆弧凹槽半径；
图2为本发明的一种叶片前缘高周疲劳模拟件设计方法流程图；
图3为本发明的设计方法典型实施过程中，试验考核段长度和模拟件总高度对模拟件位移的影响分析图，(a)为模拟件最大位移随试验考核段宽度w变化的曲线，(b)为模拟件最大位移随模拟件总高度h变化的曲线。
其中：试验考核段1，加载部位2，销钉孔一3、销钉孔二4承载，圆弧凹槽5。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明一种叶片前缘高周疲劳模拟件及设计方法的技术方案进行详细说明。
本发明涉及的一种叶片前缘高周疲劳模拟件，如图1所示，模拟件整体为三点弯曲式T型模拟件，加载-承载形式为三点弯曲，用于在单轴拉伸高频疲劳试验机中进行高周疲劳试验。模拟件按各部分功能划分为两部分，中间部分是由待研究的前缘叶型构成的试验考核段1，外侧区域呈U形，为三点弯加载部位2，两部分之间通过圆角光滑过渡。沿模拟件最大尺寸长度方向，试验考核段1为等截面结构，截面形状为一椭圆及与其相切的两条直线，用于近似真实叶片前缘形状。试验考核段1与其下方的加载部位2共同组成截面形状为T型的结构，有利于增加模拟件弯曲刚性，从而易于满足高频试验机的幅频特性要求。模拟件的U形的加载部位2，两端各有一个相同直径的销钉孔一3、销钉孔二4承载，底部有一个圆弧凹槽5承载，三处承载结构均由额外的销钉进行加载。加载时，两端销钉孔与底部凹槽受力达成平衡，考虑到底部凹槽受力大于单侧销钉孔，且为了保证具有一定程度的调心效果，凹槽的半径大于对应销钉的半径。此外，为了保证试验考核段1叶片前缘模拟部位的加工质量，防止加工三点弯加载部位2顶部时对试验考核段1顶部造成损伤，同时防止模拟件存放或夹持过程中对试验考核段1前缘处造成磨损，三点弯加载部位2的顶部应高于试验考核段1的顶部，从控制模拟件大小的角度考虑，两者高度差不应过大，结合实际加工工艺和使用经验，高度差优选1-2mm。在上述加载-承载形式下，受载状态下理论危险点(应力最大)位于试验考核段1中间截面的顶部。
如图2所示，考虑压气机叶片几何形状、特定危险部位、加载稳定性、可加工性以及高周疲劳试验机加载能力的叶片前缘高周疲劳模拟件设计方法具体实现如下：
第一步，根据压气机第一级叶片几何模型，对叶片前缘结构进行的简化，建立由一段椭圆弧和与其相切的两条直线构成的试验考核段1截面形状。
第二步，设计模拟件整体外形。首先，根据设计原则和数值模拟结果，由已知截面参数确定以下两个参数：①试验考核段高度h0：其取值为保证危险点和圆角过渡区域应力集中效应的互不影响要求的最小值，通过有限元数值模拟，初取一个较大的试验考核段高度h0，逐步减小其取值，危险点和圆角过渡区域会逐渐重叠，而试验考核段高度h0则取即将发生重叠的临界值。基于所述有限元模拟结果，为保证危险点和圆角过渡应力集中区域互不重叠，试验考核段高度h0至少取叶尖前缘椭圆弧长轴长度的10倍，同时为保证模拟件尺寸最小，试验考核段高度h0优选为叶尖前缘椭圆弧长轴长度的10倍；②模拟件厚度t：为提高模拟件整体弯曲刚性，模拟件厚度t应大于试验考核段最大厚度t0，构成T型结构，基于有限元数值模拟结果，模拟件厚度t大于2倍试验考核段最大厚度t0时，模拟件整体弯曲刚性提升不明显，因此根据模拟件尺寸最小化原则，模拟件厚度t优选为试验考核段(1)最大厚度t0的2倍，并圆整至整数。然后，通过调整试验考核段长度w、模拟件总高度h以及载荷大小F，使危险部位应力水平达到材料高周疲劳极限(或其他设定的应力水平)，同时加载点位移满足高周疲劳试验机幅频特性要求，为了给尺寸调整提供参考，可以优先作出试验考核段长度w和模拟件总高度h在一定范围内变化时，最大位移的变化规律。如图3中(a)所示，随着试验考核段长度w增大，最大位移先减小后急剧增大，按照上述原则，考虑取使最大位移最小的试验考核段长度w；同时，如图3中(b)所示，随着模拟件总高度h减小，模拟件最大位移也减小，但模拟件总高度h还受到考核段高度h0的限制，必须大于h0的值，因此取模拟件总高度h(1.2倍h0)，后续根据加载部位强度校核结果进行调整。至此，依据所述的变化规律，确定满足高周疲劳试验机幅频特性要求的试验考核段长度w和模拟件总高度h。
第三步，设计并校核加载销钉、销钉孔强度。通过调整销钉孔部位的销钉孔直径φ，使销钉孔、销钉的安全系数满足设计要求(大于2)，若无法通过调整销钉孔直径φ满足，则适当增大模拟件总高度h，重复第二步。
至此，完成叶片前缘高周疲劳模拟件设计工作。所设计的模拟件能够有效模拟叶片前缘几何形状和危险部位，能用于高频疲劳机上开展高周疲劳试验。
按照图1所示，设计的一个实例：模拟件总高度为h＝20mm，模拟件厚度t＝7mm，试验考核段宽度w＝34mm；三点弯加载部位宽度a＝20mm；试验考核段高度h0＝15mm；销钉孔直径φ＝8mm；圆弧凹槽半径R＝30mm。所述实例加工性能良好，可保证试验考核段的加工质量；同时模拟件设计合理，在试验过程承载稳定，能有效开展高周疲劳试验。
本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (9)

1.一种叶片前缘高周疲劳模拟件，其特征在于：所述模拟件的整体为三点弯曲式T型模拟件，由中间部分和外侧U形区域构成；所述中间部分是由待测试的前缘叶型组成等截面的试验考核段(1)，所述外侧U形区域为三点弯曲加载部位(2)，所述中间部分与所述外侧U形区域之间通过圆角光滑过渡。
2.根据权利要求1所述的一种叶片前缘高周疲劳模拟件，其特征在于：所述等截面的试验考核段(1)的截面法向定义为沿所述模拟件最大尺寸长度方向，所述等截面的试验考核段(1)的截面形状为用于近似真实叶片前缘形状的一椭圆及与所述椭圆相切的两条直线。
3.根据权利要求1所述的一种叶片前缘高周疲劳模拟件，其特征在于：所述三点弯曲加载部位(2)，整体呈U型结构，两端各有一个相同直径的销钉孔承载，底部通过一个圆弧凹槽(5)加载；
所述销钉孔与所述圆弧凹槽(5)均由销钉进行加载或承载；
所述圆弧凹槽(5)的半径大于对应的用于加载的所述销钉的半径。
4.根据权利要求1所述的一种叶片前缘高周疲劳模拟件，其特征在于：所述三点弯曲加载部位(2)的顶部高于所述等截面的试验考核段(1)顶部，高出的距离为1-2mm。
5.一种叶片前缘高周疲劳模拟件的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：根据待测试的叶片前缘几何尺寸，使用椭圆弧和直线设计模拟件的试验考核段截面，保证所述真实叶片前缘与所述试验考核段截面的几何一致性；
步骤2：设计模拟件整体外形，基于设计原则与有限元数值模拟，确定所述试验考核段高度h0、所述模拟件厚度t，通过调整所述试验考核段长度w、所述模拟件总高度h以及载荷大小F，使危险部位应力水平达到材料高周疲劳极限，同时加载点位移满足高周疲劳试验机幅频特性要求；
步骤3：设计并校核加载的销钉、销钉孔强度，通过调整销钉孔部位的孔径φ，使所述销钉和所述销钉孔的安全系数满足设计要求，至此完成叶片前缘高周疲劳模拟件的设计。
6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于：所述步骤2中，所述试验考核段(1)的高度h0取满足危险点和圆角过渡应力集中效应互不影响要求的最小值，所述试验考核段高度h0为所述真实叶片叶尖前缘椭圆弧长轴长度的10倍。
7.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于：所述步骤2，所述模拟件厚度t大于试验考核段底部厚度，所述模拟件厚度t为所述试验考核段(1)最大厚度2倍的圆整值。
8.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于：所述步骤2中，所述试验考核段长度w、所述模拟件总高度h的选取原则为：加载点位移满足高频试验机幅频特性要求，同时所述模拟件尺寸尽可能小。
9.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于：所述步骤3中，所述三点弯曲加载部位的宽度a和所述模拟件总高度h取值相同，所述销钉孔位于所述三点弯曲加载部位(2)两端区域的中心。
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