spf_db宽弦空心叶片单元件弯曲疲劳性能研究

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1、中图分类号：V231.95论文编号：102870218-S102学科分类号：082502硕士学位论文SPF/DB宽弦空心叶片单元件弯曲疲劳性能研究研究生姓名李百洋学科、专业航空宇航推进理论与工程研究方向结构强度与完整性指导教师刘小刚副教授南京航空航天大学研究生院能源与动力学院二О一八年一月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofEnergyandPowerEngineeringResearchon

2、BendingFatigueBehaviorsofSPF/DBWide-chordHollowBladeSpecimenAThesisinAerospacePropulsionTheoryandEngineeringbyLiBaiyangAdvisedbyAssociateProfessorLiuXiaogangSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringJanuary,2018承诺书

3、本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：__日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要SPF/DB工艺制造的钛合金宽弦空心风扇叶片凭借

4、其在实际工作中表现出的优异性能，已成为先进航空发动机的关键技术之一。航空发动机高速运转过程中，空心叶片应力状态复杂，此外叶片实际工作中还时常遭遇FOD事件。这些不利因素给空心叶片的安全性带来重大考验，因此评估空心叶片在复杂工作环境下的弯曲疲劳性能具有重要的理论意义和工程价值。本文针对钛合金宽弦空心叶片单元件的弯曲疲劳性能开展研究。设计并加工了三层板形式的SPF/DB空心单元件，通过试验研究、理论分析与数值模拟相结合的方法建立一种空心单元件弯曲疲劳寿命预测方法。论文首先对空心叶片单元件开展了三点弯曲

5、静强度试验及弯曲疲劳试验，得到了不同厚度以及不同应力比条件下单元件的S-N曲线，并结合理论计算建立了考虑厚度和应力比影响的疲劳寿命预测模型；对疲劳失效过程及断口进行宏微观观测，发现空心单元件疲劳源萌生于加载截面底面边缘位置并向另一侧扩展。论文研究了FOD对空心单元件弯曲疲劳性能的影响。开展空心单元件典型硬物冲击损伤试验，对试验后冲击损伤缺口进行宏微观观测及切片观察，发现FOD不仅会对空心单元件材料表面造成损伤，还会造成内部扩散焊焊缝开裂。通过冲击损伤后空心单元件三点弯曲疲劳试验，发现FOD后空心单

6、元件弯曲疲劳寿命下降明显。对疲劳断口进行扫描电镜试验，发现FOD后空心单元件疲劳源位置发生了变化，疲劳裂纹源出现在冲击缺口和焊缝损伤位置，前者表现为蒙皮失效，后者使得内部芯板断裂。最后，论文基于FEM建立了空心单元件的弯曲疲劳寿命预测方法。分别以最大弯曲正应力、最大等效应力及临界平面上的最大主应力参数作为损伤参量，对空心单元件不同载荷水平下疲劳寿命进行预测。结果表明采用最大弯曲正应力法和基于最大主应力参数的临界平面法可以有效预测空心单元件弯曲疲劳寿命。同时对空心单元件FOD过程进行数值模拟，定量分

7、析了冲击损伤后空心单元件损伤区域残余应力分布特征，并基于子结构法计算出空心单元件冲击缺口的应力分布，进而通过等效正应力修正建立了FOD后空心单元件疲劳寿命预测方法。关键词：宽弦空心风扇叶片，空心单元件，弯曲疲劳性能，外物损伤，疲劳寿命预测ISPF/DB宽弦空心叶片单元件弯曲疲劳性能研究ABSTRACTSPF/DBTitaniumalloywide-chordhollowfanbladeswithexcellentperformanceinactualwork,hasbecomeoneoftheke

8、ytechnologiesofadvancedaero-engines.Thehollowbladestressstateiscomplicatedathighspeedsoperationofaero-engines.Inaddition,thebladesfrequentlyencountersFODevents.Theseunfavorablefactorsareamajortesttothesafetyworkofthehollowblade.Therefore,itiso