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现代航空燃气涡轮发动机服役过程中,风扇/压气机叶片经常发生由发动机进气气流吸入小硬物颗粒造成的外物损伤(Foreign Object Damage,FOD)事件。FOD产生的缺口应力集中、残余应力、微结构损伤等严重削弱了叶片的高循环疲劳(High Cycle Fatigue,HCF)抗力,使得经常处于高频振动状态的叶片在发动机设计使用寿命或检查周期内面临过早发生HCF失效的危险。因此发展FOD损伤评估方法,研究FOD对叶片HCF强度的影响程度和规律,对叶片进行FOD容限设计,对减少因FOD事件引发的严重故障和事故、降低维护成本、提高发动机的战备完好性具有重要意义。本文围绕风扇/压气机叶片FOD容限设计问题,开展了以下五个方面的研究工作:对FOD容限设计的本质特点及国内外FOD容限设计技术的发展概况进行了分析和文献综述。研究结果表明:FOD容限设计本质上是考虑FOD影响的叶片振动应力设计,是风扇/压气机叶片HCF设计的重要组成部分。基于FOD统计分布、真实FOD试验和冲击数值模拟的概率容限设计是FOD容限设计技术的发展趋势。对风扇/压气机叶片常用材料TC4合金的应变率和温度相关变形行为及缺口试样准静态拉伸失效行为进行了试验研究,基于试验数据建立了TC4合金的粘塑性耦合损伤材料模型。研究结果表明:TC4合金的应变率敏感性和温度软化效应明显。应力三轴度对TC4合金失效应变有显著影响,应力三轴度越大,失效应变越小。在材料试验参数范围内,Bammann粘塑性耦合损伤模型可以合理描述TC4合金的动态变形和失效行为,修正Zerilli-Armstrong模型对TC4变形和失效行为的描述能力均较差。较系统地研究了主要有限元计算参数(有限元模型尺寸、网格密度、系统阻尼参数、沙漏控制方法、接触-碰撞算法参数、接触界面摩擦参数、人工体积粘性系数等)对FOD数值模拟结果的影响程度和规律。研究结果表明:多数计算参数对FOD损伤形貌和尺寸模拟结果的影响较小。有限元模型尺寸、系统阻尼和绝对网格密度对冲击计算时间和残余应力的影响比较明显,其他参数的影响相对较小。发展了基于LS-DYNA软件平台和Bammann粘塑性耦合损伤模型的TC4叶片FOD数值模拟方法,并进行了试验验证。结果表明:所发展的FOD数值模拟方法可以有效地预测TC叶片的硬物冲击损伤,在数值计算中是否使用状态方程对TC4叶片FOD数值模拟结果没有明显影响。通过自行设计的可控制性较好的弹道冲击试验装置,开展了TC4模拟叶片弹道冲击试验,试验研究了FOD对TC4模拟叶片HCF强度的影响特点,并对冲击损伤模拟叶片的HCF强度进行了初步预测分析。研究结果表明:绝热剪切冲塞失效是TC4叶片硬物冲击过程中的主要失效形式;冲击损伤对TC4模拟叶片的HCF强度具有显著影响,试验获得的多数冲击缺口理论弹性应力集中系数估算值不超过3,但疲劳缺口系数试验值均明显大于3,大于我国现行航空发动机通用规范GJB241-87和GJB242-87所采用的“K t=3”指标。