某钛合金宽弦空心风扇叶片共振特性仿真分析

宽弦空心风扇叶片特有的空腔及加强筋结构,在大幅减轻叶片重量,降低整机载荷的同时,也更易使叶片在高速旋转过程中产生共振现象。为有效规避共振引起的叶片疲劳断裂、振动失效等问题,一般需要对叶片在不同转速下的共振特性进行系统分析。为此,采用有限元方法对某型号航空发动机钛合金宽弦空心风扇叶片在不同转速下的强度和模态进行了仿真分析,并借助Campbell共振图进一步对其频率裕度进行了校核。研究结果表明:靠近叶片前缘的加强筋最易受共振影响而发生振动形变,转速在2900r/min-3800r/min区间时叶片具有良好的频率裕度。

宽弦空心风扇转子叶片鸟撞损伤数值仿真

为解决航空发动机宽弦空心风扇转子叶片抗鸟撞设计问题,对宽弦空心风扇转子叶片鸟撞损伤进行了数值仿真。采用光滑质点流体动力学(SPH)算法建立鸟体模型,采用J-C本构模型和失效模型定义材料冲击下动态性能,建立旋转状态下叶片鸟撞数值仿真方法,经过试验验证能够较准确预测叶片损伤。开展相同条件下鸟撞击宽弦空心和实心风扇转子叶片仿真,对比鸟撞击叶片过程、撞击时叶片叶尖最大轴向和径向变形、撞击后叶片永久变形,研究被鸟撞击后空心叶片相比实心叶片的损伤特征。结果表明:空心和实心叶片鸟撞击过程相同;空心叶片被鸟撞击后叶尖轴向和径向变形更小;空心叶片被鸟撞击后前缘卷边变形更严重,对风扇气动性能和稳定性影响更大;在结构设计时应适当增加前缘空心区域局部刚度,或者适当增大前缘实心区域范围,用于提高空心叶片的抗鸟撞能力。

宽弦空心风扇叶片动力响应特性研究

宽弦空心风扇叶片是未来风扇叶片的发展趋势.本文采用ANSYS软件利用数值模拟方法,通过对叶片的模态特性和脉冲激励下的响应特性研究得到了叶片的基本变形以及动态响应变形情况.结论为该风扇叶片振动时以弯曲变形为主,工作转速在6000r/min以内,弯曲振动变形规律以及叶片空心加芯板的结构决定了叶片应力集中发生在内含芯板的叶盆中心处.另外,在叶片高速旋转时的离心作用使得叶根处也成为应力集中区域.

航空发动机用关键钛合金部件先进设计及制造技术

钛合金具有优异的各项性能,在航空发动机的关键部件中得到了重要应用。通过介绍世界知名飞机发动机制造公司的钛合金宽弦风扇叶片设计及制造技术、钛合金整体叶盘和叶环设计及制造技术以及钛合金机匣精密成型设计及制造技术的发展现状,指出钛合金宽弦风扇及整体叶盘、整体叶环制备技术和钛合金机匣精密成型技术是我国新型高性能航空发动机开发所必需掌握的关键技术,应当尽早突破。

宽弦空心风扇叶片流固耦合作用下的疲劳分析

宽弦空心风扇叶片是航空发动机采用的新技术之一。采用间接耦合和直接耦合两种计算方法,对宽弦空心风扇叶片在空气场作用下的结构响应进行了数值模拟和疲劳寿命预测,对比分析了两种方法对叶片寿命的预测结果。结果表明,与间接耦合相比较,直接耦合计算得到的叶片最大应力高出不足10%,两种方法对叶片寿命的预测结果相差很小。在应力放大因子为2的情况下,对比两种耦合方法,叶片的疲劳寿命使用系数几乎为零;在应力放大因子的为3的情况下,同间接耦合相比较,直接耦合随着使用周期的增加,叶片疲劳寿命使用系数也不断增加。

钛合金宽弦空心风扇叶片数控切削加工关键技术

数控切削加工是最终保证钛合金宽弦空心风扇叶片制造精度的重要技术手段。分析了采用超塑成形/扩散连接技术制作的钛合金宽弦空心风扇叶片结构特征以及毛坯状态,指出了后续的数控切削加工应突破复杂曲面结构测量、加工变形控制以及切削加工误差补偿等关键技术。提出了开发集测量、分析和加工为一体的数控切削加工集成系统的研究思路,可为实现钛合金宽弦空心风扇叶片加工精度的精确控制提供指导。

某型航空发动机宽弦风扇叶片强度分析

针对某型航空发动机,考虑到离心力和气动力共同作用的影响,对该型发动机风扇叶片进行了有限元建模和强度分析,其中对气动力的加载进行了适当的简化。计算结果表明,该型叶片具有较高的静强度储备;应力集中区域在风扇叶片叶盆靠近叶根的区域,是叶片的几何形状以及离心力和气动力共同作用的结果。

2/3层板结构空心风扇叶片设计与对比分析

针对空心结构风扇叶片设计技术在航空发动机上的应用,分析了2/3层板空心叶片结构特点,提出了1种基于气动数据源的空心叶片结构设计方法,并以某风扇叶片为例开展了2种结构空心叶片设计,有限元对比分析结果表明:2种结构空心叶片在静强度、振动特性方面各有优势,但2层板结构空心叶片可设计性更优,应用前景更好。

大涵道比宽弦风扇叶片连接结构设计及分析研究

在分析民机大涵道比风扇叶片设计特点及发展趋势的基础上,重点介绍了高负荷高切线速度宽弦风扇转子叶片连接形式的特点,给出不同的风扇叶片连接结构设计方案,并对其优缺点进行了对比分析。

宽弦风扇叶片空腔结构多目标轻量化设计

航空发动机结构重量直接影响其工作效率与服役成本。本文以发动机宽弦风扇叶片为研究对象,基于拓扑优化技术给出了获得宽弦风扇叶片轻量化启发式设计的结构优化设计方法。研究中考虑了离心力工况与鸟撞工况。由于鸟撞工况具有随机性,本文采用加权求和的方式实现了不同位置鸟撞工况下风扇结构性能的统一评价和设计,有效降低了优化问题的复杂性。首先以结构的最小柔顺性为目标函数,以设计域内单元人工密度为设计变量,以设计域的材料体积为约束函数,对风扇叶片的空心结构开展基于拓扑优化的轻量化设计。进一步,将结构基频引入拓扑优化目标函数中,开展了同时考虑结构刚度性能与动力频率特性的多目标拓扑优化设计。数值算例结果显示,多目标拓扑优化给出了较为清晰的空心叶片内部材料分布方式。该结果可为风扇叶片轻量化设计提供启发,促进航空发动机的性能提升。

航空发动机风扇叶片冲击加强轻量化设计

以提高风扇叶片抗冲击性能为目标,以空心率为约束条件,进行风扇叶片创新构型设计优化,并通过试验件加工和性能评估,验证所设计方案的合理性.建立了瞬态冲击载荷静力学等效方法,获取了风扇叶片在工作状态下能够有效抵抗鸟撞冲击载荷的最优质量分布.基于优化结果,建立了低质量、高抗冲击性能的风扇叶片几何构型.通过3D打印风扇叶片优化构型试验件,进行加工工艺可行性和优化构型试验件的力学性能评估,验证了优化设计方案的工艺可实现性、静力性能和抗鸟撞性能.结果表明:上述优化方法的建立能够为航空发动机空心风扇叶片设计提供可行的技术手段,使得叶片空心率提高到45%以上,并显著提升叶片抗冲击性能.

FOD对TC4合金扩散焊板材HCF性能影响

针对外物损伤(FOD)对航空发动机宽弦空心风扇叶片高循环疲劳(HCF)性能的影响,以TC4合金3层扩散焊板件模拟宽弦空心风扇叶片典型冲击部位,采用空气炮法对TC4合金3层扩散焊板进行FOD模拟试验,对冲击角度为25°、40°和80°时的损伤状况进行了宏微观测量;采用逐级加载法对FOD后的扩散焊焊板进行HCF强度试验,获得各条件下扩散焊板件的条件疲劳极限。结果表明:在各冲击条件下,冲击角度为25°时对材料造成的损伤最严重,HCF强度降低幅度最大;FOD不仅会造成材料表面损伤,还会对内部焊缝层造成损伤。在上述因素共同作用下,扩散焊板件FOD后HCF强度显著降低,相应的疲劳缺口系数明显增大。

基于多个MFC激励器的复合材料宽弦风扇叶片模态测试

为了研究复合材料风扇叶片响应特性,利用压电纤维复合材料(Macro Fiber Composite,MFC)激励器对复合材料宽弦风扇叶片进行模态测试。将测试结果与有限元仿真值进行比较,分析风扇叶片不同MFC单独激励和组合激励下的响应特性。设计了MFC激励器激励系统,采用MFC单独激励和组合激励的方法,实现快速正弦扫频激励信号激励,借助扫描式激光测振仪测量叶片上关注测点的振动响应。结果表明:MFC激励下风扇叶片的响应与MFC覆盖位置处对应的MFC纤维极化方向的应变大小、MFC纤维方向和测点选择有关;不同位置的MFC激励叶片,叶片各阶模态响应有差异。该结果可用于宽弦风扇叶片的MFC激励器/传感器控制方法的进一步研发和风扇叶片的振动特性分析。

圆弧形榫连结构低周疲劳试验设计与寿命预测

为了研究大涵道比涡轮风扇发动机宽弦风扇叶片中采用的圆弧形燕尾榫连结构的低循环疲劳寿命,设计了1种双榫头的低循环疲劳试件及夹具,该试件具有可以避免试件上打孔、所受载荷单一、节省试验时间等优点。利用通用软件ANSYS对试件及夹具进行了3维接触应力分析,得到了试件及夹具上的应力分布规律,证明了该试件设计的可行性与合理性。考虑多轴应力对寿命的影响,对试件进行了弹塑性分析,用4种方法预测了试件的疲劳寿命并与初步的试验结果进行了比较,给出了4种预测方法的相对误差。结果表明:Neuber法和等效应变法应用较方便且预测结果均在可接受范围内。

宽弦空心风扇叶片大鸟撞击试验研究

为了建立钛合金空心风扇单叶片大鸟撞击试验方法,针对宽弦钛合金空心风扇叶片开展了大鸟撞击叶片位置敏感性分析、鸟撞参数设计及鸟弹姿态控制研究,制定了大鸟撞击风扇叶片试验方案,完成了试验装置设计并进行了验证试验。结果表明:钛合金空心风扇叶片对大鸟撞击位置敏感性强,撞击最危险位置为50%叶高处;通过采用人工明胶鸟弹、优化弹托和增加泄压段,可有效提高鸟弹姿态控制精度;验证试验结果与设计预期吻合度良好,表明风扇叶片静止且鸟与风扇叶片的相对速度为工作状态下的大鸟撞击试验可有效模拟大鸟撞击叶片的冲击历程。

宽弦空心风扇叶片流固耦合作用下的叶片响应分析

利用数值模拟的方法,对宽弦空心风扇叶片在空气场作用下的瞬态响应进行了研究.采用流固耦合数值计算方法,得到了某宽弦空心风扇叶片在非定常边界条件下的变形响应.计算结果表明,叶片在空气场的作用下,最大位移发生在叶片前缘叶尖处,在沿叶展方向与叶片内部芯板结构沿叶展方向分布重合处产生应力集中,应力值由叶片表面向叶片内部逐渐减小,内部芯板虽然厚度较薄,但分布应力值均较小,且应力集中发生在叶片表面.气动力与叶片结构之间的耦合作用,使叶片结构模态振型沿周向不再均匀分布.叶片在气固耦合时的变形响应以绕旋转轴的弯曲振动为主,接近叶片的一阶模态变形.

钛合金宽弦风扇叶片的振动特性

通过模态仿真和模态试验技术分别对某型号TC4钛合金宽弦风扇叶片的振动特性进行研究。采用ANSYS-APDL软件对风扇叶片模型进行模态仿真分析。根据风扇叶片的坎贝尔图以及不同模态的振型分布,识别风扇叶片的弯扭振型。风扇叶片不同转速不同模态下的转速裕度和频率裕度分析显示:第1阶弯曲模态在红线转速下的转速裕度和频率裕度超过20%,表明风扇叶片满足共振裕度要求。在三轴向振动台上利用扫描式激光测振仪,采用敲击法和随机带宽激励的方法测量叶片的响应,分析了风扇叶片不同模态的冲击响应特性和多轴响应特性,发现风扇叶片在周向和轴向激励下的响应以低阶弯曲模态为主,而在径向激励下的响应以扭转和复合模态为主,不同激励位置不同模态的响应特性与风扇叶片的振型息息相关。

复杂结构的钛合金宽弦空心风扇叶片的双层制造工艺及其毛坯优化设计（英文）

钛合金宽弦空心风扇叶片是航空发动机的重要部件,具有复杂的结构特点,内部交替排列减重空腔与加强筋,采用基于复杂超塑性成形的传统多层工艺成形难度大。针对以上问题,提出一种基于热成形和扩散连接技术的新双层制造工艺,并且规划了一条毛坯优化设计的基本技术途径,更可靠可控的构建了内部加强筋。借用ABAQUS软件数值模拟成形,分析成形结果的厚度均匀性、结构完整性和表面缺陷,以及评估方法的实用性。以Ti-6Al-4V为成形材料,采用经尺寸优化后的最佳坯料,进行了一系列的实验来验证仿真结果。实验成功制造出无缺陷的缩比版钛合金宽弦空心风扇叶片,同时实验与仿真模拟结果非常吻合。

复杂外形航空发动机TC4钛合金宽弦空心风扇叶片弯扭成形

弯扭成形是钛合金空心风扇叶片制造中一种有效的辅助成形手段,赋予空心叶片毛坯理想的过渡形状,改善工艺性。针对应用于大涵道比涡扇发动机的TC4钛合金宽弦空心风扇叶片的工艺试验件,研究适用于复杂外形叶片的单轴扭转与双轴扭转两种弯扭方法,提出了夹头运动参数的设计方法,分析了机构的运动规律以及成形原理。基于有限元模拟,研究了扭转方式以及弯扭路径等关键工艺参数对于制件外形、变形区分布、扭转力矩以及表面缺陷的影响,并进行了弯扭实验。结果表明,采用单轴扭转方式,弯扭温度为750℃,叶尖夹头扭角为20.4°,扭转速度为0.68(°)/min,能够将平板毛坯成形出合理的过渡形状。弯扭后面板上出现了失稳凹陷,与有限元结果一致。

航空发动机宽弦风扇叶片鸟撞损伤模型标定

为建立航空发动机风扇叶片抗鸟撞载荷能力的量化预测方法,针对特定的航空发动机宽弦风扇叶片设计,依据发动机在典型工作状态下的吸鸟速度、角度等撞击参数开展叶片鸟撞试验,采用显式动力学数值仿真方法,建立叶片鸟撞试验仿真分析模型,并通过对模型中叶片材料参数、鸟体本构模型参数、鸟与叶片耦合接触参数进行敏感度分析,对模型进行标定.结果表明,标定后的鸟撞分析模型所预测的叶片损伤模式与试验结果一致,预测的损伤位置与试验测量结果误差小于10%.