外物损伤对TC4叶片疲劳极限的影响研究

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飞机在起飞、降落或低空滑行阶段时,其发动机会不可避免的吸入跑道上外来物,如石子、砂砾以及微型金属零件等。这些外来物随着高速气流被吸入发动机,其叶片很有可能受到冲击而受到损伤,称为外物损伤(Foreign object damage,FOD)。此时,由于发动机叶片已经受到外物损伤,再加上其本身的高速转动会产生高周振动载荷,将会加速发动机叶片的损坏。如果叶片在飞机飞行过程中发生断裂等问题,会对飞行安全造成极大的隐患,甚至发生飞行事故。因此,开展外物损伤对飞机发动机叶片疲劳极限的研究,并且掌握可以预测其疲劳极限的方法极为重要。本文的主要研究内容如下所示:(1)选用TC4材料来进行外物损伤试验,根据试验需要完成对试件形状的设计,采用自行设计制造的落锤试验机对其进行外物损伤试验。分别进行了五种试验条件下的外物损伤试验,冲击试验结束后分别对其缺口形貌进行了宏观观测,研究不同冲击形式下造成的FOD缺口彼此之间的区别和差异。(2)利用VE-5150ST型号振动台,采用步进法分别对光滑试件、FOD试件进行振动疲劳试验,研究每种冲击试验条件下叶片的疲劳极限。发现在同一角度冲击下,叶片疲劳极限随着落锤冲击高度的增加而减小;在同一落锤高度冲击高度下,叶片疲劳极限随着落锤冲击角度的增加而减小;且边缘冲击比面心冲击对叶片造成的损伤程度更大。(3)采用平均应力模型下的Neuber-Kuhn表达式和Peterson表达式对FOD叶片进行疲劳极限的预测。结果表明使用这两种方法的预测结果均比较危险,故对其因子Kt和ρ分别进行修正。结果表明,对参数ρ进行修正时,采用两种表达式均可降低0°边缘冲击预测值误差;对Kt进行修正时,针对含角度的边缘冲击试件,使用Neuber-Kuhn表达式的预测结果误差均在20%以下,说明这种方法预测结果比较可靠。相比传统预测方法的结果有很大改善,一定程度上可解决实际工程问题。本文针对外物损伤对叶片造成的影响进行了研究,且使用振动疲劳的方法研究了FOD叶片的疲劳极限并修正了其预测方法,可以为发动机压气机叶片的容限设计提供参考,具有非常重要的工程意义。
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