外物損傷對風(fēng)扇/壓氣機(jī)葉片高循環(huán)疲勞性能影響的研究

胡緒騰，宋迎東

（南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京210016）

0 引言

外物損傷（FOD）是航空發(fā)動機(jī)使用中的1種常見故障，是由吸入發(fā)動機(jī)氣流通道的硬物（如砂礫、石塊、金屬塊等）對風(fēng)扇/壓氣機(jī)葉片等造成的1種沖擊損傷。經(jīng)驗(yàn)表明，在使用中采取預(yù)防措施（如發(fā)動機(jī)進(jìn)口防護(hù)、飛機(jī)跑道清掃和巡查、地勤人員維修工具檢查和控制等），能有效地減少或避免嚴(yán)重FOD事故的發(fā)生，但是由小的硬物顆粒造成的葉片F(xiàn)OD卻幾乎無法避免，成為風(fēng)扇/壓氣機(jī)葉片設(shè)計(jì)必須考慮的1個(gè)重要問題。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，有關(guān)FOD對葉片HCF性能的影響才得到重視，特別是近10年來，美、英等國對FOD及其對葉片HCF性能的影響建立了科學(xué)的FOD容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，發(fā)展了先進(jìn)的FOD容限設(shè)計(jì)技術(shù)。與之相比，中國對該項(xiàng)技術(shù)的認(rèn)識和研究存在較大差距。

本文基于FOD對葉片HCF性能影響的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行了綜述和分析，希望能為中國在該領(lǐng)域的技術(shù)研究和發(fā)展提供借鑒和參考。

1 開展FOD對葉片HCF性能影響研究的重要性

FOD通常表現(xiàn)為葉片的局部沖擊缺口、撕裂、鼓包等，如圖1所示[1]，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致葉片大面積損毀或斷裂。為避免FOD引發(fā)嚴(yán)重故障或事故，通常在飛機(jī)每次起飛前和降落后均要對發(fā)動機(jī)葉片進(jìn)行FOD檢查[2]。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有被打傷的葉片時(shí)，應(yīng)當(dāng)修理或更換所有損傷葉片。然而對于這種時(shí)常發(fā)生的沖擊損傷，大量維修或更換損傷葉片，不僅大幅增加備件數(shù)量和成本，而且還帶來大量的維護(hù)工作量和成本，在更換葉片時(shí)甚至需要對整臺發(fā)動機(jī)進(jìn)行拆解和重裝，嚴(yán)重影響發(fā)動機(jī)的戰(zhàn)備完好性。因此，在風(fēng)扇/壓氣機(jī)葉片設(shè)計(jì)時(shí)，要求葉片在受到FOD后能繼續(xù)安全工作一定時(shí)間（如1個(gè)場站檢查期或翻修周期），以有效減少損傷葉片的維修或更換次數(shù)，降低發(fā)動機(jī)的使用、維護(hù)成本，提高發(fā)動機(jī)的戰(zhàn)備完好性；針對可能存在的漏檢情況，還可以有效提高發(fā)動機(jī)使用的安全性。

風(fēng)扇/壓氣機(jī)葉片處于發(fā)動機(jī)的最前端，其結(jié)構(gòu)單薄，且容易受到各種氣動與機(jī)械載荷的激勵而經(jīng)常處于高頻和低幅振動狀態(tài)。雖然發(fā)動機(jī)葉片也同時(shí)承受著起飛/著陸反復(fù)循環(huán)載荷（一般稱為低循環(huán)疲勞（LCF）載荷的作用，但使用結(jié)果表明，振動導(dǎo)致的高循環(huán)疲勞（HCF）是風(fēng)扇/壓氣機(jī)葉片壽命的主要限制因素，是其主要失效模式[3-4]。FOD導(dǎo)致葉片局部發(fā)生沖擊缺口、微裂紋和殘余應(yīng)力等宏微觀損傷，大大降低了葉片損傷區(qū)域的疲勞抗力。如繼續(xù)使用受到FOD的葉片，將增加葉片發(fā)生HCF失效的危險(xiǎn)。所以，在風(fēng)扇/壓氣機(jī)葉片設(shè)計(jì)時(shí)，不能僅以葉片材料固有的HCF性能作為葉片設(shè)計(jì)的最大振動應(yīng)力限制指標(biāo)，還必須考慮FOD對葉片HCF性能的影響。因此，開展FOD對風(fēng)扇/壓氣機(jī)葉片HCF性能的影響研究，揭示FOD對葉片HCF性能的影響程度和規(guī)律，發(fā)展可靠的評估和預(yù)測方法，對制定FOD容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、發(fā)展FOD容限設(shè)計(jì)技術(shù)具有重要意義。

2 國外研究狀況和發(fā)展趨勢

國際上對FOD的研究可以追溯到20世紀(jì)40年代末，然而真正認(rèn)識FOD對葉片HCF性能的影響并進(jìn)行系統(tǒng)研究則是在90年代。1994年底，美國實(shí)施了1項(xiàng)國家渦輪發(fā)動機(jī)高循環(huán)疲勞科學(xué)與技術(shù)計(jì)劃，F(xiàn)OD對葉片HCF性能的影響是其中重要研究內(nèi)容之一；2000年后，英國加入該計(jì)劃的實(shí)施。經(jīng)過近10年的研究，美、英2國在FOD損傷試驗(yàn)?zāi)M方法、影響因素、損傷表征與測量、FOD數(shù)值模擬方法、FOD對風(fēng)扇/壓氣機(jī)葉片HCF強(qiáng)度的影響機(jī)制和規(guī)律以及FOD葉片的HCF強(qiáng)度預(yù)測方法等方面取得了許多重要研究成果，并發(fā)展了更為先進(jìn)的FOD容限設(shè)計(jì)技術(shù)，建立了新的FOD容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

2.1 FOD試驗(yàn)?zāi)M方法

采用帶有真實(shí)外場FOD的風(fēng)扇/壓氣機(jī)葉片進(jìn)行HCF試驗(yàn)和FOD容限設(shè)計(jì)技術(shù)研究，不僅試驗(yàn)困難、成本昂貴，而且不能滿足對FOD本身以及其對葉片HCF強(qiáng)度的影響機(jī)制及規(guī)律進(jìn)行深入細(xì)致研究的需要。因此，美國HCF計(jì)劃對FOD實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)?zāi)M方法進(jìn)行了較為系統(tǒng)地研究和評估[5]。對包括加工缺口、準(zhǔn)靜態(tài)擠壓、低速沖擊（擺錘、螺線槍等）以及高速彈道沖擊（輕氣炮）等不同F(xiàn)OD試驗(yàn)?zāi)M方法的對比和評估，表明：加工缺口、準(zhǔn)靜態(tài)和低速沖擊方法能夠獲得與高速彈道沖擊損傷形貌相似的缺口，且容易控制，重復(fù)性較好，但是其對葉片HCF強(qiáng)度的影響機(jī)制與高速沖擊FOD不同，無法再現(xiàn)高速沖擊產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分布、微結(jié)構(gòu)損傷和微小裂紋等真實(shí)FOD特征。因此，盡管高速彈道沖擊試驗(yàn)成本較高，且不容易控制，但該方法是能準(zhǔn)確地模擬外場FOD特征的FOD試驗(yàn)方法[6]。

2.2 沖擊殘余應(yīng)力的測量

Boyce、Duó等[7-9]對FOD部位的沖擊殘余應(yīng)力進(jìn)行了試驗(yàn)測量。Boyce采用同步加速器X射線衍射技術(shù)測量了鋼珠在不同速度下垂直沖擊Ti-6Al-4V合金平板試樣產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)沖擊速度不同，殘余應(yīng)力具有較大差異，且殘余應(yīng)力在疲勞載荷作用下會出現(xiàn)松弛現(xiàn)象。Duó等采用低能X射線和高能同步加速器X射線對具有葉片前緣特征試樣的沖擊殘余應(yīng)力進(jìn)行了測量，結(jié)果表明：在沖擊入射邊存在較大的拉伸殘余應(yīng)力，與數(shù)值模擬的殘余應(yīng)力分布和變化趨勢比較一致；研究認(rèn)為：由于沖擊缺口尺寸較小，且存在較大應(yīng)力梯度，沖擊缺口根部殘余應(yīng)力的試驗(yàn)測量精度受到限制，要較準(zhǔn)確獲得沖擊缺口根部的殘余應(yīng)力數(shù)值，需借助于對沖擊過程的有限元數(shù)值模擬。

2.3 FOD數(shù)值模擬方法

在HCF計(jì)劃下，Hamrick、Chen、Weeks、Oakley、Tranter和Duó等均對葉片F(xiàn)OD有限元數(shù)值模擬方法進(jìn)行了研究和評估[10-14]。

Chen在模擬FOD時(shí)僅考慮了沖擊變形過程，使用簡單冪函數(shù)應(yīng)變率相關(guān)本構(gòu)模型；Hamrick、Weeks、Stewart等的研究雖然考慮了材料失效，但使用的本構(gòu)模型和失效模型均比較簡單（如雙線性率相關(guān)或理想塑性模型以及最大等效塑性應(yīng)變失效準(zhǔn)則）；Weeks等在研究中還探討了網(wǎng)格密度和沖擊參數(shù)（如葉片前緣半徑、沖擊物尺寸、速度、沖擊角度等）對沖擊損傷數(shù)值模擬結(jié)果的影響；Oakley、Tranter、Duó等均采用了較為復(fù)雜的應(yīng)變率和溫度相關(guān)材料模型模擬FOD；Oakley采用的Johnson-Cook模型（包括本構(gòu)模型和失效模型）是經(jīng)驗(yàn)型材料模型；Tranter等基于位錯(cuò)動力學(xué)建立修正的Zerilli-Armstrong本構(gòu)模型具有一定的物理基礎(chǔ)，為Goldthorpe路徑相關(guān)模型，可同時(shí)模擬拉伸和剪切2種失效模式；Duó等采用的Bammann是1種黏塑性耦合損傷材料模型，常被用來模擬延性金屬材料的大變形和韌性斷裂失效；Oakley、Tranter和Duó等通過對各自FOD數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果的對比，認(rèn)為各自采用的材料模型都能夠在不同程度上較好地模擬FOD；Tranter、Duó等人得到的典型FOD數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比分別如圖2、3所示。

2.4 FOD對葉片HCF強(qiáng)度的影響

Ruschau、Nowell等均試驗(yàn)研究了沖擊角度對葉片HCF強(qiáng)度的影響規(guī)律[15-16]。Ruschau等進(jìn)行了0°～60°范圍內(nèi)的沖擊損傷試驗(yàn)，結(jié)果表明：30°沖擊損傷對葉片HCF強(qiáng)度的影響最大，且分散性也最大，HCF強(qiáng)度最大降低幅度接近50%，其試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示；Nowell等在20°、50°和80°3種角度下進(jìn)行沖擊損傷試驗(yàn)?zāi)M和HCF試驗(yàn)，結(jié)果表明：50°和80°沖擊對HCF強(qiáng)度的影響比較接近，而20°沖擊對疲勞強(qiáng)度的影響相對較小，其試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

Martinez、Ruschau、Nowell等均試驗(yàn)研究了葉片前緣半經(jīng)（厚度）對損傷葉片HCF強(qiáng)度的影響[2]。試驗(yàn)結(jié)果均表明：葉片前緣半徑（厚度）與FOD對葉片HCF強(qiáng)度的影響程度相關(guān)性較小。Nowell等還研究了葉片前緣楔角對損傷葉片HCF強(qiáng)度的影響，通過對5°、10°和20°3種楔角試驗(yàn)結(jié)果的對比（如圖6所示）結(jié)果表明：楔角越小，F(xiàn)OD對HCF強(qiáng)度的影響越大。

Birkbeck、Martinez、Ruschau、Nowell等對沖擊缺口深度對葉片HCF強(qiáng)度的影響進(jìn)行了分析[17]。Martinez和Ruschau等研究認(rèn)為：缺口深度與FOD對葉片HCF強(qiáng)度的影響程度沒有明顯的相關(guān)性。Ruschau研究的試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。而Birkbeck和Nowell等研究認(rèn)為：損傷葉片的HCF強(qiáng)度隨缺口深度的增大表現(xiàn)出一定的下降趨勢。

Thompson等和Duó等通過應(yīng)力釋放退火方式進(jìn)行了殘余應(yīng)力對損傷葉片HCF強(qiáng)度的影響研究[18]。Thompson的試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)力退火試樣具有較高的HCF強(qiáng)度；而Duó等人的試驗(yàn)結(jié)果為應(yīng)力退火試樣的HCF強(qiáng)度較低。試驗(yàn)結(jié)果分別如圖8、9所示。

上述各種研究結(jié)果，有的規(guī)律相似，有的規(guī)律則相反，說明FOD及其對葉片HCF強(qiáng)度的影響問題非常復(fù)雜。不同的試樣、外物和沖擊參數(shù)產(chǎn)生的沖擊損傷形貌、尺寸、殘余應(yīng)力和微結(jié)構(gòu)損傷等存在較大的分散性，因此，對葉片HCF強(qiáng)度的影響也存在較大的分散性。美國空軍Nicholas曾指出：“在FOD對材料疲勞性能影響的系統(tǒng)研究中得到的成果和發(fā)現(xiàn)很少，這不足為奇[19]?！币虼?，需對FOD及其對葉片HCF強(qiáng)度的影響這一FOD容限設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)科學(xué)進(jìn)行更多深入、細(xì)致的研究。

2.5 沖擊損傷葉片的HCF強(qiáng)度預(yù)測方法

在美國HCF計(jì)劃中，主要發(fā)展和評估了3種沖擊損傷葉片HCF強(qiáng)度預(yù)測模型[20]，即裂紋形核模型、斷裂力學(xué)模型和最差缺口模型。

GE公司和PW公司均對裂紋形核模型和斷裂力學(xué)模型進(jìn)行了研究和評估[20-22]，但卻得出不同的結(jié)論。GE公司的初步評估結(jié)果認(rèn)為：裂紋形核模型（基于修正Walker等效應(yīng)力）似乎優(yōu)于斷裂力學(xué)模型，但仍需要更多試驗(yàn)來驗(yàn)證，并希望將其應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)中；而PW公司的研究結(jié)果認(rèn)為：裂紋形核模型（基于SWT參數(shù)）的預(yù)測結(jié)果偏于保守，而斷裂力學(xué)模型的預(yù)測結(jié)果可滿足預(yù)測精度要求。

考慮到外場FOD的分散性，Hudak等人提出了1種最差缺口模型來預(yù)測沖擊損傷葉片的HCF強(qiáng)度[23-24]。該模型假設(shè)沖擊缺口根部由于應(yīng)力集中和LCF載荷等的作用而發(fā)生裂紋萌生和早期裂紋擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至遠(yuǎn)離缺口根部后，應(yīng)力迅速減小，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展驅(qū)動力也迅速減小，并逐漸低于材料的小裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值而發(fā)生止裂。因此，可根據(jù)沖擊缺口根部的小裂紋擴(kuò)展/止裂邊界來估算沖擊損傷葉片的HCF強(qiáng)度。Hudak等進(jìn)行的評估結(jié)果表明，

最差缺口模型的預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較吻合。

另外，Nowell等提出與上述最差缺口模型概念類似的小裂紋止裂模型。Duó等對該模型的應(yīng)用和評估結(jié)果認(rèn)為，該模型可以較好地預(yù)測沖擊損傷葉片的HCF強(qiáng)度。

3 中國的研究現(xiàn)狀和差距

在20世紀(jì)80～90年代，中國曾開展航空發(fā)動機(jī)FOD研究，但僅限于FOD對葉片疲勞壽命的研究。近年來，本課題組在中國最早提出了開展FOD對風(fēng)扇/壓氣機(jī)葉片HCF強(qiáng)度影響機(jī)制和規(guī)律研究的基礎(chǔ)性和必要性[25]，并對此開展了一定的探索[26-28]。其主要研究成果如下：采用高速沖擊方法在TC4合金平板葉片邊緣進(jìn)行FOD模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該葉片在沖擊過程中發(fā)生絕熱剪切沖塞失效，典型試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。為發(fā)展FOD數(shù)值模擬方法，開展了TC4合金的變形和失效行為試驗(yàn)，初步評估了幾種典型材料模型對FOD的模擬能力，研究結(jié)果表明：雙線性和多線性率相關(guān)材料模型、Cowper-Symonds應(yīng)變率相關(guān)材料模型、修正Zerilli-Armstrong材料模型均不能有效模擬TC4合金葉片沖擊過程中的絕熱剪切現(xiàn)象。Bammann黏塑性耦合損傷材料模型則有希望模擬這一失效機(jī)制。基于Bammann模型的典型模擬和試驗(yàn)結(jié)果的對比如圖11所示。FOD對葉片HCF強(qiáng)度影響的初步試驗(yàn)結(jié)果表明：沖擊損傷葉片106循環(huán)壽命下的HCF強(qiáng)度降低幅度超過80%。

綜上所述，雖然中國針對FOD對葉片HCF性能影響問題開展了初步研究，但其技術(shù)手段、研究深度和廣度以及對FOD問題的重視程度等方面均與美、英等國的存在較大差距，要發(fā)展先進(jìn)的FOD容限設(shè)計(jì)技術(shù)，建立更為可靠的FOD容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，需要在如下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域深入開展研究：（1）完善FOD實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)?zāi)M技術(shù)；（2）對FOD特征進(jìn)行了廣泛、深入的研究和表征；（3）發(fā)展可靠的FOD數(shù)值模擬技術(shù)；（4）系統(tǒng)研究FOD對風(fēng)扇/壓氣機(jī)葉片HCF強(qiáng)度的影響程度和規(guī)律，發(fā)展并驗(yàn)證可靠的預(yù)測方法。

4 結(jié)束語

美、英等國通過實(shí)施渦輪發(fā)動機(jī)HCF研究計(jì)劃，對FOD及其對風(fēng)扇/壓氣機(jī)葉片HCF性能的影響問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究，取得了豐富的研究成果，發(fā)展了先進(jìn)的FOD損傷容限設(shè)計(jì)分析技術(shù)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。近10年來，中國雖然已經(jīng)開展了探索性研究，但仍需在一些關(guān)鍵技術(shù)問題上繼續(xù)深入。

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