冲击参数对TC4钛合金模拟叶片损伤有限元模拟研究

外物损伤严重影响航空发动机风扇/压气机叶片的使用寿命,其冲击参数对残余应力分布的影响是重要的研究方向。为探究冲击参数对模拟叶片损伤的影响,根据空气炮试验系统对模拟叶片的冲击情况,使用有限元方法对TC4钛合金模拟叶片进行了外物损伤数值模拟;分析了不同冲击参数下模拟叶片的残余应力分布;得到了冲击角度、冲击速度以及冲击小球直径对模拟叶片损伤的影响规律。通过将数值模拟结果与空气炮试验结果进行对比,发现损伤深度的最大误差为30.2%,表明了本文模拟方法的有效性。研究结果可为压气机叶片结构损伤容限设计提供依据。

钛合金叶片模拟件激光冲击诱导层裂行为研究

本文针对航空发动机叶片激光冲击诱导层裂问题,根据航空发动机压气机叶片设计具有特征叶型的叶片模拟件(叶面夹角为11°),探究其多次激光冲击下的层裂行为,并进一步利用不同厚度平板试样研究试样厚度以及光斑形状对层裂产生位置的影响。研究结果表明,采用25 J、4 mm方形光斑冲击变厚度TC17钛合金叶片模拟件,冲击面出现凹陷变形,叶片宏观呈现翘曲变形,6次冲击后产生层裂,8次冲击后背面出现局部剥落。激光冲击诱导层裂与试样厚度正相关,随着试样厚度的增加,层裂产生的冲击次数阈值升高。然而,层裂的产生与否却与光斑形状无明显关系,圆形光斑和方形光斑均可诱导出层裂。层裂易产生于Cr和Sn等元素富集形成的软化区,激光冲击诱导层裂不仅与冲击波的传递特性有关,还可能与成分偏析、富集等材料缺陷相关。

激光冲击强化提高外物打伤钛合金模拟叶片高周疲劳性能

为指导钛合金叶片抗外物打伤激光冲击强化工艺设计,根据真实叶片叶型特征设计了刃口型模拟叶片,采用两种激光冲击强化工艺对模拟叶片进行预处理,并采用空气炮系统进行外物打伤模拟试验,最后通过疲劳试验和应力场预测进行疲劳性能影响规律及机理分析。试验结果表明:模拟叶片外物打伤后疲劳强度由518.45 MPa降为290.72 MPa,而激光能量为5 J和7 J强化工艺下疲劳强度分别提升至344.49、374.93 MPa。激光冲击引入高数值残余压应力场,大大改善了外物打伤区域的局部应力场分布,在显著提高外物打伤模拟叶片疲劳强度的同时,可承受更大的应力集中,也增大了疲劳缺口系数偏差。两种强化工艺中激光能量越大,产生的残余压应力场数值和深度越大,更加有效地降低裂纹扩展过程中的等效应力强度因子幅值,外物打伤模拟叶片疲劳强度和疲劳缺口系数偏差提高程度越大。

Ti17模拟叶片在空气中的阻尼试验

通过Ti17平板模拟叶片在空气中测阻尼试验研究,用自由振动衰减法测取到各阶振型衰减系数,得出其各阶振型阻尼比,推导出比例阻尼系数,为叶片响应计算时的阻尼系数取值提供了参考.研究还发现振型阻尼比与材料硬度、叶片固有频率及振型密切相关,并给出了定性分析.

FV520(B)钢叶片模拟件激光再制造工艺优化及成形修复

针对压缩机叶片激光再制造成形的工程实际需求,从激光再制造成形表面平整度假设出发,获得了熔覆层搭接率数学模型并实验验证,通过分析单道熔覆层形状和优选稀释率,确定了FV520(B)钢基体上熔覆FeCrNiCu系合金粉末的最优化匹配工艺参数;通过量化分析激光再制造成形过程,规划了最佳成形路径和工艺过程,实现了体积损伤叶片模拟件激光再制造成形。渗透探伤和金相显微测量结果表明:再制造成形部位表层无气孔、裂纹等缺陷产生,成形部位形状尺寸误差小于2mm,角度误差小于3°。

激光沉积成形修复薄壁叶片模拟件的三维形变分析

压缩机叶片激光再制造对设备延寿意义重大,但过程所产生的微小、离散、非线性形变影响叶轮整体运行性能,且该类形变难以精确测量,影响工艺优化及成形性能评价,文中针对该问题展开研究,以体积损伤薄壁叶片模拟件为对象开展激光再制造,以三维反求的表面点云数据为依据,对再制造前后整体型面、热影响区以及垂直截面形变变化规律开展分析.结果表明,模拟件整体形变变化较小,形状尺寸变化在0.2~0.5 mm之间,热影响区是形变最集中区域;热影响区形变呈均匀分布特征,尺寸变化在0.44~0.50 mm之间;垂直截面形状尺寸变化在-0.2~0.2 mm之间,呈微小形变弯曲特征.

FV520(B)钢叶片模拟件激光再制造成形试验分析

针对鼓风机用FV520(B)钢叶片根部气蚀裂纹的激光再制造,采用正交化试验方法优化再制造工艺参数;通过分析FV520(B)钢叶片模拟件根部破损情况,制定激光扫描修复方案,观察和分析修复部位金相显微组织及物相组成,并对熔覆层硬度进行测试。试验结果表明:激光功率1.1kW、扫描速度250mm/min、送粉速率8.10g/min及载气流量150L/h为该再制造系统下该材料优化工艺参数;采用多种扫描路径相综合的修复方式,减少层间热累积效应,使修复件尺寸精度保持在0.8mm之内;熔覆层和基体为良好的冶金结合,熔覆层表面显微硬度最高,平均值达到675 HV0.2,结合界面处硬度值达到610HV0.2,具有较好的组织结构和硬度性能。

模拟打伤/抛修缺口对TC17钛合金叶片振动疲劳性能的影响

研究了无缺口、打伤缺口和3种抛修缺口对TC17钛合金叶片振动疲劳性能的影响。结果表明,无缺口模拟叶片的疲劳寿命最长且寿命分散性最小,打伤缺口模拟叶片的疲劳寿命最短且寿命分散性最大,3种抛修缺口模拟叶片的疲劳寿命介于前两者之间,其中抛修缺口Ⅰ模拟叶片的疲劳寿命最长。无缺口和抛修缺口模拟叶片的疲劳裂纹均起源于叶片根部,打伤缺口模拟叶片的裂纹产生于缺口底部,与有限元模拟计算的最大应力位置吻合。模拟叶片的疲劳断裂区比较平坦,呈半椭圆形貌,疲劳源区主要位于模拟叶片表面的微小损伤处,疲劳扩展区具有典型的疲劳弧线特征,并呈现沿α/β片状组织界面开裂的特征。

镍基单晶气膜冷却叶片模拟件低周疲劳性能研究

研究了镍基单晶气膜冷却叶片模拟件的低周疲劳性能。低周疲劳测试分别在700、1000℃下进行,并考虑了气膜孔孔径对低周疲劳性能的影响。结果表明,在中温条件下强烈的单晶各向异性敏感性使得疲劳寿命分散性较大;在高温条件下,疲劳寿命对气膜孔微结构敏感性降低,疲劳性能稳定地呈现出随气膜孔径增大而降低的趋势。疲劳裂纹路径在低温条件下呈晶体学平面扩展,高温条件下呈Mode-I型扩展。疲劳裂纹主要起源于气膜孔并向两侧扩展。在最小截面积上施加相同应力载荷,孔周最大Mises应力与气膜孔径呈负相关。

1Cr15Ni4Mo3N不锈钢航空发动机叶片外物损伤规律研究

为研究不同因素对不锈钢航空发动机叶片外物损伤的影响规律,以模拟叶片为研究对象,通过空气炮法,开展不同工况下外物损伤试验。结果表明:缺口尺寸与冲击能量呈现正相关的关系;冲击角度和冲击速度对损伤类型的影响较大。冲击角度越大、冲击速度越小,鼓包型损伤增多;冲击角度越大、冲击速度越大,撕裂型损伤增多。

平板叶片非线性振动及疲劳试验

针对航空发动机压气机叶片掉角故障,提出了一种采用方形平板试件弯扭复合共振开展试验研究的方法,研究了试件非线性振动特性及振动疲劳试验方法。结果表明:叶片模拟试件存在十分复杂的"软硬化并存"非线性特征,对试件开展振动疲劳试验产生重要影响;由于非线性原因振幅具有明显的突跳现象,须使激振频率稍小于曲线峰值频率以保持振动状态的稳定;为了更精准地确定试件裂纹出现节点,在进行疲劳试验时针对试件制定裂纹判定标准;利用制定的裂纹判定标准可成功确定疲劳强度,验证了裂纹判定标准的有效性和可行性。

风电叶片用环氧树脂的应用研究

本文侧重于材料的实际应用性能测试,选择四种不同的灌注环氧树脂,从层压板力学性能、树脂凝胶时间和放热峰温度、树脂与纤维的浸润性以及叶片根端实际模拟等几个方面进行测试和研究,讨论了层压板力学性能和树脂工艺性能。结果表明国产树脂的性能能满足叶片性能要求,部分性能超过进口树脂。同时论述性能测试的关键点及其在风力机叶片制造过程中的实际应用,为灌注树脂的选择和评估提供参考依据。

某燃气轮机涡轮动叶片腐蚀疲劳失效分析

针对某燃气轮机涡轮第1级动叶叶身表面涂层剥落及尾缘转接R处产生疲劳裂纹的现象进行了失效分析,并对失效机理进行探讨。首先,对失效叶片开展了理化检查,包括外观检查、化学成分分析及显微组织分析;然后模拟了机组运行时涡轮叶片的温度场和应力场分布。研究结果表明:重油中的S和V燃烧后产生硫酸盐和钒酸盐,局部高温促使其加速穿过陶瓷隔热层中的空隙并产生反应,从而使涂层出现脱落;温度场计算获得的局部高温区域与涂层剥落区域吻合;叶片应力模拟计算结果显示尾缘应力水平较高,频繁的启停使尾缘转接R处产生疲劳裂纹。基于研究结果,得出此次叶片失效的主要原因是腐蚀疲劳失效,并对涡轮叶片使用提出了合理的建议。

各向异性单晶叶片强度寿命研究-第Ⅱ部分:实验研究(英文)

单晶叶片技术是提高航空发动机及地面燃气轮机性能、寿命及可靠性的关键技术之一，但单晶材料机械、力学性能的各向异性特性制约了其发展和应用，对其工程应用及应用的理论基础提出了挑战。课题组开展了各向异性单晶叶片强度分析和寿命预测方面的一些研究工作。包括：建立并验证了弹塑性、蠕变滑移本构模型及蠕变持久寿命预测方法；进行了不同晶体取向DD3单晶在不同温度、不同速率或不同温度、不同应力水平下的拉伸试验及蠕变试验，这些实验数据及由其反映的单晶中、高温各向异性特性对单晶材料的应用具有重要意义。此外还进行了某种单晶叶片的实验研究。作为上述研究的应用，对某发动机单晶涡轮叶片进行了强度分析和寿命预测。本文这一部分介绍试验研究工作，本构模型及其应用已在本文第I部分作了介绍。

TC4钛合金外物损伤疲劳极限及预测研究

为研究外物损伤对航空发动机TC4叶片高周疲劳极限的影响,以模拟叶片为研究对象,采用空气炮法,预制不同工况下钢球冲击模拟叶片前缘外物损伤,为获得损伤叶片的疲劳极限,对损伤叶片开展了高周疲劳试验,在此基础上,通过有限元仿真探究了缺口残余应力分布对疲劳裂纹的萌生以及疲劳极限的影响,最后通过修正Peterson公式对叶片疲劳极限进行预测研究。结果表明,冲击所造成的缺口尺寸随冲击能量的增大而增大;叶片的高周疲劳极限随冲击能量增大而降低,其中缺口深度对疲劳极限的影响较大;缺口底部残余拉应力可能对叶片疲劳极限有一定影响;Peterson公式对疲劳极限进行预测所得结果误差较大,修正后预测结果误差从-30%~30%降至-15%~15%。

作物缺水指数新方法的验证

尝试用胶水涂抹叶片制成模拟叶片,在冬小麦主产区之一的河北栾城进行了6种水分处理的冬小麦田间试验,以进一步验证模拟叶片温度法估算CWSI的可行性。结果表明:Tcu(最高冠层温度)与Tp(模拟叶片温度)具有极显著相关性(r=0.977(n=31));由Tp确定的CWSI与由Jackson模式确定的CWSI拟合程度很高(r=0.999(n=123));由Tp确定的CWSI与土壤含水量、叶片水势间也存在相关关系,这些都说明CWSI可用来指示土壤和作物的水分状态。

发动机用AlSi/BN、CuAl/NiCg封严涂层可磨耗性研究

利用高温高速可磨耗试验机,模拟发动机典型工况,进行了AlSi/BN、CuAl/NiCg封严涂层与TC4模拟叶片配副的可磨耗性验,分析了刮削磨耗试验后涂层和叶片的宏观形貌、涂层刮削深度、叶片磨损高度和总磨耗深度。结果表明：AlSi/BN涂层在不同进给速率下的刮削深度均远大于TC4叶片的磨损高度,涂层和叶片磨耗表面有凹槽,磨耗时有＂积屑瘤＂产生。CuAl/NiCg涂层在不同进给速率下的TC4叶片磨损高度为涂层刮削深度的2～4倍,涂层磨耗表面整体平整,局部有轻微剥落,磨耗时未产生＂积屑瘤＂。

勘查与检测道路用风机叶片模拟装置设计

为将风机叶片运进山地风场,必须进行进场道路改造,改造前需对道路进行运输叶片的通过性勘查,以确定需要改造路面的地点和改造的工作量,改造后需要检测改造的道路,以便叶片能顺利的运抵风场,这样就需要一种模拟风机叶片装置,它既可以在道路改造前进行运输叶片的通过性勘查又可以在道路改造后进行通过性检测.设计了一种模拟风机叶片装置,可分段伸缩,适合用于道路勘查和道路的通过性检测,装置采用六边形截面,可抗一定程度冲击,采用绳排伸缩机构,经济可靠实用.

定向凝固涡轮叶片不同部位材料持久强度差异

为了研究定向凝固涡轮叶片因不同部位显微组织不同而引起的宏观持久强度的差异,根据典型涡轮叶片几何特征,设计了两类叶片模拟件(缘板、叶冠模拟件)和对比试件(标准平板试件),开展了持久试验及对比研究,试验结果表明:缘板、叶冠模拟件的持久寿命分别为对比试件持久寿命的94.22%和75.65%.这说明了定向凝固涡轮叶片不同部位的持久强度存在差异,这种差异需要在定向凝固涡轮叶片结构、寿命设计中加以考虑.研究结果对提高定向凝固涡轮叶片设计水平、改进定向凝固成形工艺具有重要意义.

定向凝固涡轮叶片不同部位材料疲劳性能差异研究

为了研究定向凝固涡轮叶片不同部位材料疲劳性能及差异,根据典型涡轮叶片的工艺和几何特征,设计了两类叶片模拟件和用于对比研究的带缺口的对比试件,在此基础上开展了高温低循环疲劳试验和对比分析研究。试验结果表明:缘板模拟件、叶冠模拟件的材料疲劳性能分别为对比试件(和叶身中部材料性能基本相当)的5.93%和7.68%。这说明叶片不同部位的材料疲劳性能差异明显,在定向凝固涡轮叶片的结构、寿命设计中,需要考虑这种差异。研究结果对于定向凝固涡轮叶片设计、分析方法的完善和成形工艺的改进具有重要意义。