涡扇发动机高压压气机叶片裂纹萌生及扩展寿命预测研究

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2、本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的，研究成果除了文中特别加标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证一书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：；名受签字曰期：口年月曰［句２■／少ｔ巧学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可将学位论义的全部或部分内容编入有关数据库讲行檢、索，并采用影印缩印或扫描等复制手段保存、汇编供

3、查阁和借阅。同意学校向国家有关部口或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：巧／作ｙ月曰签字日期；年尸月２＾日叫天津大学博士学位论文涡扇发动机高压压气机叶片裂纹萌生及扩展寿命预测研究ResearchonCrackInitiationandPropagationLifePredictionofTurbofanEngineHighPressureCompressorBlade一级学科：动力工程及工程热物理学科专业：动力机械及工程作者姓名：杨硕指导教师：张俊红教授天津大学机械工程学院二零一五年六

4、月中文摘要高压压气机叶片是涡扇发动机的关键转动件，其可靠性直接影响发动机性能和飞行安全。在发动机服役期间，疲劳断裂是高压压气机叶片的主要失效形式，裂纹在交变载荷作用下逐步萌生并扩展。若叶片在工作过程中发生疲劳断裂，除了影响发动机性能外，高速脱离的碎片将对整个转子系统及机匣造成严重的二次损伤，研究高压压气机叶片的疲劳裂纹萌生和扩展问题对提高航空发动机可靠性有着重要意义。叶片寿命评估贯穿于发动机设计、制造、使用以及维修整个全寿命周期，因此，考虑航空发动机工况复杂多变的特点，建立准确的高压压气机叶片疲劳寿命预测模型具有重要的科学意义和工程应用价值。Ti–6Al–4V钛合金以其优异的中

5、高温力学性能成为高压压气机叶片的主要制造材料，本文采取叶片材料疲劳试验和模拟仿真相结合的方式，对高压压气机叶片裂纹萌生及扩展寿命进行研究预测，主要内容包括：进行Ti–6Al–4V钛合金叶片模拟试件振动疲劳试验，包括恒幅加载、变幅加载和裂纹扩展试验，分析变幅载荷应力差、循环比等参数变化对变幅加载下叶片疲劳寿命的影响。研究叶片的裂纹萌生及扩展规律，利用超景深显微镜和扫描电子显微镜观测疲劳断口微观特征，进一步探讨应力比、过载、高低周复合加载等变幅加载因素对叶片裂纹扩展速率的影响。基于Haddad小裂纹理论，结合Chaboche损伤累积模型和Walker裂纹扩展模型，考虑压气机叶片载荷

6、谱包含多应力比、过载、变幅加载等特性，建立一个既可预测裂纹萌生寿命、又可预测裂纹扩展寿命的综合寿命模型。叶片振动特性分析可以为损伤识别提供帮助，而损伤程度是裂纹扩展寿命预测的主要依据。建立裂纹叶片几何模型和有限元模型，分析裂纹参数（裂纹长度、裂纹位置）变化对叶片振动特性的影响规律，探讨裂纹参数变化引起的叶片频率转向和振型转换等耦合振动问题；基于裂纹叶片振动特性分析结果和RBF神经网络理论，对叶片裂纹参数识别进行研究。根据发动机实际运行中的典型工况，将航空发动机运行状态简化为5种典型工作循环，并编制转速谱。综合考虑低周离心载荷、稳态气动载荷和高周振动载荷的高低周复合加载，进行高压

7、压气机叶片应力分析，计算叶片危险节点应力历程，分别对无损叶片及缺口叶片进行全寿命和裂纹扩展寿命预测。关键词：涡扇发动机；高压压气机叶片；裂纹萌生；裂纹扩展；寿命预测ABSTRACTHighpressurecompressorbladesarethecorecomponentofturbofanengine.Itsfatiguereliabilityhasagreatinfluenceonengineperformanceandflightsafety.Fatiguefractureisthe