航空发动机压气机叶片外物损伤及裂纹扩展研究

作     者：杜天玮 

作者单位：天津科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨硕

授予年度：2022年

学科分类：082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：航空发动机 压气机叶片 外物损伤 振动疲劳 裂纹扩展 

摘      要：叶片是航空发动机中不可或缺的基本组成要素,其结构形态直接影响着发动机的动力性能和运行安全。当飞机处于起飞、降落以及地面滑行状态时,发动机进气口产生的强大吸力可能吸进碎石、螺钉、螺母等外来硬物,导致航空发动机的风扇/压气机叶片出现冲击损伤,此类因外来硬物造成的飞机发动机损伤被称为外物损伤(Foreign object damage,FOD)。外物损伤后的风扇/压气机叶片在高速旋转时,受到气动力、离心力和振动载荷的多重作用,叶片FOD处容易萌生疲劳裂纹并加速扩展,导致叶片疲劳失效甚至断裂,造成重大的航空安全事故。因此,展开航空发动机叶片的FOD及疲劳裂纹扩展的研究,对保障飞机的安全性和可靠使用性,具有重要的工程实践意义。本文使用自行设计的落锤冲击试验装置,首先模拟了外物冲击压气机叶片前缘造成的损伤,研究了冲击能量与缺口尺寸的关系及损伤缺口宏微观变化。其次对FOD试件进行了振动疲劳试验,研究在不同冲击强度下的的疲劳裂纹萌生和疲劳裂纹扩展,振动试验结束后通过光学显微镜观察裂纹断口形貌特征,拟合疲劳裂纹形貌参数,建立了FOD试件的疲劳裂纹扩展寿命预测模型。最后基于有限元分析软件ABAQUS,模拟仿真了不同冲击强度下的试件FOD,根据仿真结果分析了FOD的缺口尺寸、形貌特征及残余应力分布,并将模拟仿真结果与试验结果进行比较。研究结果表明:随着落锤冲击能量的减小,其损伤缺口的宽度和深度尺寸呈现非线性减小的趋势。FOD试件在弯曲应力载荷作用下,FOD缺口处萌生疲劳裂纹,随着循环周期的增加,裂纹长度逐渐增大。不同冲击强度下,裂纹扩展路径存在差异,当冲击强度较大时,试件的疲劳裂纹先沿弯曲微裂纹扩展,后沿直线扩展;当冲击强度较小时,试件疲劳裂纹保持直线扩展。裂纹萌生寿命与冲击强度、应力水平二者相关。通过对数值仿真结果处理,发现试件FOD缺口周围存在明显的残余拉应力和残余压应力,这是引起损伤试件产出疲劳裂纹的主要原因。