外物损伤对不锈钢叶片高周疲劳性能的影响

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1、中图分类号：V231.95论文编号：102870218-SZ031学科分类号：085206硕士学位论文外物损伤对不锈钢叶片高周疲劳性能的影响研究生姓名王凌峰专业类别工程硕士专业领域航空工程指导教师关玉璞教授南京航空航天大学研究生院能源与动力学院二О一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofEnergyandPowerEngineeringResearchonInfluenceofForeignObjectDamageonStainlessS

2、teelBladeHighCycleFatiguePropertyAThesisinAeronauticalEngineeringbyWangLingfengAdvisedbyProf.GuanYupuSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringDecember,2017承诺书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

3、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：南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文摘要在飞机起、降或进行低空飞行时，发动机将不可避免地吸入随高速气流进入流道的砂粒、石块以及螺栓之类金属物体，这会对风扇/压气机叶片造成外物损伤（ForeignObjectDemage,FOD）。在高周振动载荷的作用下，外物损伤容易导致叶片产生裂纹并扩展，会

4、大大降低叶片的疲劳性能。如果叶片在工作中断裂飞脱，会严重影响飞行安全，甚至发生飞行事故。因此，开展外物损伤对发动机叶片高周疲劳强度的影响研究，掌握受外物损伤叶片的疲劳强度预测方法，具有重要的意义。本文主要研究工作结论如下：（1）考虑某不锈钢压气机叶片特征截面的前缘尺寸特征，设计了带前缘形状的模拟叶片。使用空气炮试验系统，对模拟叶片和真实叶片进行了外物损伤模拟试验。对损伤缺口的宏观尺寸和微观特征进行了观测，外物损伤可以分为光滑区、材料的堆积和丢失区域，微观特征包括材料的片层、剪切带、剪切韧窝、塑性变形和微观缺口等等。（2）利用振动台，采用步进法对标准

5、光滑试验件、受损模拟叶片和真实叶片进行了高周弯曲疲劳试验，得到了试验件的疲劳极限。试验结果表明，损伤类型（形状）对试件疲劳极限存在明显影响，且损伤深度越大，试验件的疲劳极限越小。在外物损伤尺寸相近的前提下，模拟叶片的疲劳极限较真实叶片低30%左右。对疲劳断口进行了微观观察，发现外物损伤造成的内部缺陷是导致疲劳裂纹源在缺口处萌生的主要原因。（3）根据测量的缺口宏观尺寸和形貌，基于平均应力模型对试件的疲劳极限进行了预测。平均应力模型的形式简单，计算方便。但预测结果表明，对于试件弯曲疲劳极限的预测误差较大且偏危险，撕裂型缺口和V型缺口的预测结果较半圆型缺

6、口和刮蹭型缺口误差更大。基于试验结果，本文对平均应力模型的预测方法进行了修正，修正后的预测结果较之前有较大改善。本文关于外物损伤模拟叶片和真实叶片疲劳极限预测方法的研究，可以为发动机风扇/压气机叶片的容限设计提供参考，也能为FOD叶片的维修准则提供依据，具有重要的工程意义。关键词：外物损伤，高周疲劳，疲劳极限，微观损伤，预测方法I外物损伤对不锈钢叶片高周疲劳性能的影响ABSTRACTWhentheaircrafttakingoff,landingorflyingatlowaltitude,theenginewillinevitablyinhalei

7、ntothesand,stoneandmetalobjectssuchasboltswithhighspeedairflow.Thiswillcauseforeignobjectdamage(FOD)tothefan/compressorblades.Undertheactionofhighcyclevibrationload,bladecracksandexpandingwilleasilycausedbyforeignobjectdamage,alsothefatigueperformanceofthebladewillbereduced.Th

8、erefore,itissignificantlyimportanttoresearchtheinfluenceoffor