CN113670685B - 一种用于刻画叶身与缘板过渡处结构细节的疲劳试验件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于刻画叶身与缘板过渡处结构细节的疲劳试验件，包括顺次连接的上夹持段、上圆弧过渡段、叶背特征模拟段、叶身与缘板过渡处特征模拟段、缘板特征模拟段、下圆弧过渡段和下夹持段，叶背特征模拟段采用双凸面设计，沿厚度方向对称，两凸面之间以圆弧段过渡；叶背特征模拟段沿轴向采用变截面设计；叶身与缘板过渡处特征模拟段采用变化的圆弧倒角设计，能够模拟叶身与缘板过渡处特征，重点解决模拟试样的几何设计能够刻画叶身缘板过渡特征处几何结构细节和应力分布特征，构成特征模拟的几何元素组合能够涵盖真实结构特征的设计边界。

Description

一种用于刻画叶身与缘板过渡处结构细节的疲劳试验件

技术领域

本发明涉及机械结构强度技术领域，特别是涉及一种用于刻画叶身与缘板过渡处结构细节的疲劳试验件。

背景技术

叶型曲面是风扇、压气机和涡轮叶片的一种典型结构特征形式，其带来的几何效应和几何-应力集中耦合效应是叶片结构设计和强度评估中必须考虑的关键问题之一。由于叶型曲面不同于典型的孔/缺口等几何不连续特征，该结构形式所产生的应力集中效应与传统的含孔/缺口试样明显不同，导致几何-应力集中耦合效应成为制约叶片高温疲劳强度和寿命评价的一个难题。试图单纯以缺口试样发展叶型曲面的疲劳强度理论，既不符合真实结构特征，也难以全面考虑真实结构的几何-应力集中耦合效应问题。因此，结构特征模拟件成为研究叶型曲面和叶身缘板过渡处疲劳问题的新型试样形式，有望发展适用于真实结构的疲劳理论。对于叶片类结构叶身缘板过渡处，其载荷形式多样、失效模式复杂通常存在高低周复合疲劳和保载疲劳等典型失效模式。为研究某一具体问题，需要根据相应的破坏特点，设计合理的模拟试样。

转子叶片在服役过程中，离心载荷的作用使叶片根部截面存在保持的高水平应力，同时发动机的启停又引起叶片根部截面应力产生大幅低频变化，二者叠加形成保载疲劳问题。不同于低周疲劳或叶片持久强度问题，保载疲劳既有保载问题的整体性，又具有疲劳问题的局部性。对于涡轮叶片而言，高温高水平应力不可避免地带来蠕变损伤，孤立地对叶片进行疲劳评估或持久强度评估已不能满足现代航空发动机叶片强度设计要求，有必要开展保载疲劳研究。

目前，采用平板、圆棒等标准试样以及全尺寸叶片研究叶片类结构的疲劳强度时存在以下几个问题：(1)标准试样的几何特征与实际叶片相差较大，无法反映几何-应力集中耦合效应，获得的破坏机理无法直接应用到真实结构，导致基于标准试样数据获得的寿命模型在评价叶片疲劳寿命时存在较大误差；(2)全尺寸叶片试验成本高，试验难度大，难以全面准确获得其所有温度和应力参数，通常只能获得定性的研究结果。

基于上述背景，为了研究叶身缘板过渡处几何-应力集中耦合效应对保载疲劳问题的影响，所设计的叶身缘板特征模拟件需要能够刻画叶身缘板过渡处真实结构细节，反映在轴向拉伸载荷下的几何-应力集中耦合效应，才能对叶身缘板过渡特征保载疲劳问题进行深入研究。需要指出的是，用于刻画叶身与缘板过渡处结构细节的疲劳试验件并不是对真实结构细节和应力状态的完全复制，其设计需能够表征结构力学特性的同时又能回答一般性科学问题，在结构细节刻画过程中，所采用的几何元素组合需能够将真实结构设计边界包容在内，使结构细节模拟件试验得到的认识能够广泛适用于各种参数条件下的真实结构设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于刻画叶身与缘板过渡处结构细节的疲劳试验件，以解决上述现有技术存在的问题，能够模拟叶身与缘板过渡特征，进行高温保载疲劳试验的试样，重点解决试样的几何设计与所模拟特征达到几何相似，对叶片叶身与缘板过渡特征细节刻画完备；在轴向拉伸载荷下，试样叶背特征模拟段应力分布与叶片在离心载荷下叶背应力分布相似，叶背特征模拟段与叶身与缘板过渡特征模拟段结合设计表征叶片叶身与缘板过渡处应力集中及应力梯度特征。同时通过改变所述叶身与缘板过渡特征模拟段叶背曲率和过渡倒角的组合，获得不同的应力集中-应力梯度特征，可以涵盖真实结构特征的设计边界。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种用于刻画叶身与缘板过渡处结构细节的疲劳试验件，其特征在于：包括顺次连接的上夹持段、上圆弧过渡段、叶背特征模拟段、叶身与缘板过渡特征模拟段、缘板特征模拟段、下圆弧过渡段和下夹持段，所述上夹持段与叶背特征模拟段之间通过上圆弧过渡段过渡连接，所述下夹持段与缘板特征模拟段之间通过下圆弧过渡段过渡连接；所述叶背特征模拟段采用双凸面设计，且两凸面沿厚度方向对称，两凸面之间采用圆弧过渡；所述叶身与缘板过渡特征模拟段采用圆角过渡。

优选地，所述叶背特征模拟段采用双凸面设计，两凸面之间通过小圆弧过渡，与标距段是圆棒或平板设计的试样不同，所述模拟件叶背特征模拟段横截面为椭圆形，作用是在中轴线位置产生应力集中。

优选地，所述叶背特征模拟段沿轴向采用变截面设计，从上圆弧过渡段至叶身与缘板过渡特征模拟段横截面积逐渐减小，两侧小圆弧顶点连线为样条曲线而非直线。

优选地，所述缘板特征模拟段采用等截面设计，横截面为椭圆形，椭圆长轴顶点与叶背特征模拟段两侧小圆弧顶点平滑过渡，无缺口或几何突变特征。

优选地，所述叶身与缘板过渡特征模拟段，由叶背特征模拟段与圆弧倒角构成，圆弧倒角沿宽度方向变化，由中轴向两侧逐渐较小，但曲率半径不变，作用是沿宽度方向产生所需的应力分布。

优选地，所述叶身与缘板过渡特征模拟段叶背曲率和过渡圆倒角组合搭配，设计不同的叶背曲率和倒角半径组合产生不同的应力分布。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

本发明的用于刻画叶身与缘板过渡处结构细节的疲劳试验件，模拟件包括叶背特征模拟段，采用双凸面设计模拟叶背特征，沿着轴向采用锥面设计，使最大应力点位于叶背特征模拟段和叶身与缘板过渡特征模拟段过渡处，与实际叶片在离心载荷下的应力分布相似。双凸面左右两侧通过圆弧段过渡，形成模拟前缘。在纵向拉伸载荷下，由于模拟前缘的存在，应力由双凸面顶点向两侧对称减小。叶背特征模拟段与叶根截面叶背危险点几何相似，并且刻画了叶背危险点在离心载荷作用下的应力集中和应力梯度特征。叶身与缘板过渡特征模拟段遵循几何相似原则，以圆弧倒角表征叶片叶身与缘板过渡特征，通过设计不同的圆角半径得到不同的应力集中系数，利用不同的应力集中系数试样进行保载疲劳试验建立损伤模型，可适用于各种典型应力集中参数设计的叶片，并对叶片叶身与缘板过渡特征的保载疲劳破坏机理产生更接近真实服役状态的认识。

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为叶身与缘板过渡特征模拟件等轴测示意图；

图2为叶身与缘板过渡特征模拟件整体结构示意图；

图3为叶身与缘板过渡特征模拟件在轴向拉伸载荷下试样整体应力分布云图；

图4中，a为涡轮叶片在离心载荷下叶背在叶根截面应力沿弦向分布，b为试样在纵向拉伸载荷下叶身与缘板过渡特征模拟段沿宽度方向归一化应力分布，图4用于说明所设计试样在轴向拉伸载荷下与叶片在离心载荷下关键区域应力相似；

图5为圆弧倒角曲率半径与应力集中系数关系；

其中，1上夹持段；2上圆弧过渡段；3叶背特征模拟段；4叶身与缘板过渡特征模拟段；5缘板特征模拟段；6下圆弧过渡段；7下夹持段。

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用于刻画叶身与缘板过渡处结构细节的疲劳试验件，以解决上述现有技术存在的问题，能够模拟叶身与缘板过渡特征，进行高温保载疲劳试验的试样，重点解决试样的几何设计与所模拟特征达到几何相似，对叶片叶身与缘板过渡特征细节刻画完备；在轴向拉伸载荷下，试样叶背特征模拟段应力分布与叶片在离心载荷下叶背应力分布相似，叶背特征模拟段和叶身与缘板过渡特征模拟段结合设计表征叶片叶身与缘板过渡处应力集中及应力梯度特征，且能够涵盖真实结构特征的设计边界。

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。

如图1-5所示，本实施例提供一种用于刻画叶身与缘板过渡处结构细节的疲劳试验件，采用本发明所设计试样可进行叶身与缘板过渡特征保载疲劳特性研究；本发明的用于刻画叶身与缘板过渡处结构细节的疲劳试验件包含七个主要部分：上夹持段1、上圆弧过渡段2、叶背特征模拟段3、叶身与缘板过渡特征模拟段4、缘板特征模拟段5、下圆弧过渡段6、下夹持段7；其中叶背特征模拟段3、叶身与缘板过渡特征模拟段4、缘板特征模拟段5组成模拟特征功能段；上夹持段1、上圆弧过渡段2、下圆弧过渡段6、下夹持段7组成夹持功能段；各段之间均为一体形式连接，由同一块原料加工成型。

本发明中的模拟件针对不同叶片可采用不同材料加工而成；叶背特征模拟段3采用双凸面设计，沿厚度方向对称，与叶片叶背几何相似；为了使应力沿试样宽度方向下降，产生应力梯度，在试样两侧利用小圆弧过渡双凸面，模拟叶片前缘特征；叶背特征模拟段3沿轴向采用变截面设计，在轴向拉伸载荷下，保证叶背特征模拟段3与叶身与缘板过渡特征模拟段4过渡截面应力水平最高，且双凸面顶点存在应力集中，应力沿着试样宽度方向向两侧对称减小，在模拟前缘处达到最低，应力云图如图3所示。

叶身与缘板过渡特征模拟段4遵循几何相似原则，以圆弧倒角表征叶片叶身与缘板过渡特征，通过设计不同的圆角半径得到不同的应力集中系数，刻画了叶背危险点在离心载荷下的应力集中和应力梯度特征，在叶身与缘板过渡特征模拟段4试样沿宽度方向归一化应力分布与叶片沿弦向应力分布对比如图4所示，最终通过本试样实现叶身与缘板过渡特征功能；实际叶片在叶身与缘板过渡处为圆角特征，圆角曲率半径沿着弦向不变，因此在设计试样的叶身与缘板过渡特征模拟段4时采用小圆弧倒角特征刻画叶片叶身与缘板过渡特征，不同圆角半径对应的轴向拉伸载荷条件下叶身与缘板过渡特征模拟段4应力集中系数如图5所示，应力集中系数＝截面最大应力/截面平均应力，叶背特征模拟段3、叶身与缘板过渡特征模拟段4、缘板特征模拟段5联合设计刻画了叶背处叶身与缘板过渡几何特征，同时表征了该处的应力集中与应力梯度特点，至此模拟特征功能段设计完毕；在进行保载疲劳试验过程中，必须保证叶身与缘板过渡特征模拟段4应力水平最高，试样其他部位保持较低应力水平，不首先发生破坏，因此将上/下夹持段与模拟特征功能段通过大圆弧过渡，降低应力集中水平，至此夹持功能段设计完毕。

本发明与标准试样或全尺寸叶片试样相比，优点在于：

(1)整个标距段采用异形设计，模拟叶背以及叶身与缘板过渡特征，叶背特征模拟段3采用双凸面设计，沿厚度方向对称，与叶背几何相似；叶身与缘板过渡特征模拟段4与叶片对应特征遵循几何相似原则，以圆弧倒角表征叶片叶身与缘板过渡特征。

(2)所设计试样在轴向拉伸载荷下，叶身与缘板过渡特征模拟段4与叶片在离心载荷下叶背对应位置应力分布相似，在试样双凸面顶点存在应力集中，应力沿着试样宽度方向向两侧对称减小，在模拟前缘处达到最低，成功刻画欲研究特征的应力集中及应力梯度特征。

(3)所设计试样在叶身与缘板过渡特征模拟段4通过设计不同的圆角半径可得到不同的应力集中系数，可适用于各种典型应力集中参数设计的叶片，相较于全尺寸叶片舍弃其他与试验目的无关几何尺寸，同时保留关键几何特征，工艺更加简单，参数修改更加简便，试验成本更低，有利于定量研究叶片叶身与缘板过渡特征的保载疲劳问题。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

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 (1)

1.一种用于刻画叶身与缘板过渡处结构细节的疲劳试验件，其特征在于：包括顺次连接的上夹持段、上圆弧过渡段、叶背特征模拟段、叶身与缘板过渡特征模拟段、缘板特征模拟段、下圆弧过渡段和下夹持段，所述上夹持段与叶背特征模拟段之间通过上圆弧过渡段过渡连接，所述下夹持段与缘板特征模拟段之间通过下圆弧过渡段过渡连接；所述叶背特征模拟段采用双凸面设计，且两凸面沿厚度方向对称，两凸面之间采用圆弧过渡；所述叶身与缘板过渡特征模拟段采用圆角过渡；

所述叶背特征模拟段横截面为椭圆形；所述叶背特征模拟段沿轴向采用变截面设计，从上圆弧过渡段至叶身与缘板过渡特征模拟段横截面积逐渐减小，叶背特征模拟段的两凸面之间圆弧顶点连线为样条曲线而非直线；所述缘板特征模拟段采用等截面设计，横截面为椭圆形，椭圆长轴顶点与叶背特征模拟段两侧圆弧顶点平滑过渡；所述叶身与缘板过渡特征模拟段采用小圆弧倒角特征刻画叶片叶身与缘板过渡特征，不同圆角半径对应的轴向拉伸载荷条件下叶身与缘板过渡特征模拟段应力集中系数＝截面最大应力/截面平均应力。

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