外物损伤对航空发动机钛合金叶片性能影响研究

Taking the first stage of an aero-engine compressor blade as example, the hard foreign object impact velocity corresponding to different material and to different volume is studied. The relationship among foreign object impact velocity, blade speed and impact azimuth is established.The impact velocity relates to the inlet channel length of aeroplane and the working state of aero-engine. Then, based on the tests results of foreign object damage and vibration fatigue, and using the finite element software ANSYS/LS-DYNA and the Cowper-Symonds plastic kinematic hardeing constitutive model, the foreign object damages to the blade under different conditions are studied. These conditions contains foreign object material, size, shape and velocity. Effective stress intensity factor expressing the blade damage degree is introduced. This effective stress intensity factor relates with notch ship, notch size and residual stress. The relationships of the effective stress intensity factor with the critical stress, the fatigue strength, and the natural vibration frequency of the blade are founded respectively. By these relationships, the critical damage condition is founded. The study method has universality. The conclusions provide theory base to enacting maintenance criterion and failure discriminant standard for the first stage of AЛ-31Φ aero-engine compressor damaged blade. Furthermore, the conclusions have reference values to designing the foreign object damage resistance, enacting maintenance criterion and failure discriminant standard for other blade.

以某型航空发动机一级转子钛合金（TC4）叶片为例，研究不同材质、不同大小外来硬物的运动速度与飞机进气道长度及发动机工作状态的关系，研究外物速度、叶片速度与撞击方位的关系。之后，在外物冲击和叶片振动疲劳试验的基础上，利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA，采用Cowper-Symonds塑性随动硬化本构模型，研究不同材质、不同大小、不同形状、不同速度的外物撞击运动叶片进气边后造成的损伤，引入有效应力集中系数的概念，利用有效应力集中系数表征损伤程度，建立有效应力集中系数与缺口形状、尺寸和残余应力的关系，建立有效应力集中系数与叶片静强度、疲劳强度以及固有振动频率的关系，并利用所建关系确定叶片的临界损伤条件。研究方法具有普遍性，研究结论既为制定AЛ-31Φ发动机一级转子叶片损伤后的维修准则和判废标准提供理论支撑，又对其它型号发动机叶片的抗外物损伤设计及维修准则、判废标准制定具有借鉴意义。

外物对航空发动机转子叶片的损伤取决于外物的材质、形状、大小、速度及叶片运动速度等，损伤程度体现在缺口形状、尺寸和残余应力的大小，损伤效果反映在叶片静强度（承载能力）、叶片疲劳强度和叶片固有振动频率的变化。项目在考虑外物撞击速度与飞机进气道长度及发动机工作状态的基础上，对航空发动机钛合金叶片外物损伤进行了研究。主要研究内容和重要结论如下：.（1）基于动量定理进行理论推导，得到了飞机进气道参考系下外物的速度方程；进而以旋转叶片为参考系，建立了外物撞击速度及撞击角度的表达式。.（2）在外物撞击损伤验证试验的基础上，进行了大量的仿真试算，确定了使用有限元软件ANSYS/LS-DYNA，采用Cowper-Symonds塑性随动硬化本构模型进行外物撞击仿真计算时所需的9个材料性能参数及1个计算参数。.（3）分别对不同形状、不同大小、不同速度的外物撞击叶片进气边不同高度及同一高度两种情况进行了仿真计算，研究不同状态下外物对叶片所造成的损伤，得到撞击损伤程度与外物形状、外物尺寸及撞击状态等参量之间的关系，初步揭示了钛合金叶片的损伤规律。.（4）以钢珠撞击钛合金叶片的试验数据为基础，分别建立了损伤缺口试件和加工缺口试件的疲劳缺口系数、疲劳强度与损伤缺口尺寸、光滑试件疲劳强度及加载应力比的关系，研究了损伤导致试件疲劳强度降低的程度，讨论了缺口尺寸、残余应力及应力比对疲劳强度降低程度的影响。同时在预期目标之外也研究了缺口尺寸及残余应力对不锈钢试件疲劳强度的影响。.（5）通过有限元分析得到了不同位置不同长度的裂纹对平板叶片固有振动频率的影响规律，为研究外物冲击损伤对真实叶片固有振动频率的影响提供了参考。.课题的研究方法具有普遍性，所得结论既为揭示钛合金叶片的损伤机理提供了理论支撑，又为所研究叶片的维修准则和判废标准提供了技术支持，同时对其它型号叶片的抗外物损伤设计及维修准则、判废标准制定也具有借鉴意义。