高周疲勞失效分析

1、發(fā)動機(jī)葉片高周疲勞失效分析090605 鮑海濱摘要：為了降低航空發(fā)動機(jī)葉片的高循環(huán)疲勞失效。分析了導(dǎo)致高循環(huán)疲勞失效的原因、失效準(zhǔn)則，以及一種研究材料多軸高周疲勞的新途徑。關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機(jī)葉片 高循環(huán)疲勞 失效1 引言 航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)完整性和可靠性設(shè)計，對滿足現(xiàn)代高性能航空發(fā)動機(jī)高推重比(高功質(zhì)比)、 高適用性、 高可靠性、 耐久性和低成本的要求起著至關(guān)重要的作用。采用先進(jìn)的氣動設(shè)計和先進(jìn)結(jié)構(gòu)、 新材料、 新工藝是現(xiàn)代高性能航空發(fā)動機(jī)最重要的特征，而無論是先進(jìn)的氣動設(shè)計，還是先進(jìn)的結(jié)構(gòu)、 材料和工藝，都必須建立在結(jié)構(gòu)完整性和可靠性的基礎(chǔ)上。導(dǎo)致葉片斷裂失效的原因是多方面的1，2，根據(jù)不同的參

2、考標(biāo)準(zhǔn)和參量，疲勞斷裂二級失效模式如圖1所示3據(jù)統(tǒng)計，在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中，由高循環(huán)疲勞引發(fā)的事故約占總事故的25%。因此，最大限度地降低航空發(fā)動機(jī)葉片高循環(huán)疲勞失效是最現(xiàn)實、亟待解決的任務(wù)。圖1 疲勞二級失效模式分類2 高周疲勞失效的影響因素2.1名義應(yīng)力的影響很早的時候就確認(rèn)名義應(yīng)力會引起失效。125年前Wohler4發(fā)現(xiàn)隨著名義拉應(yīng)力的增加引起失效的交變應(yīng)力幅將隨之減少。后來Gerber5提出拋物線關(guān)系理論，即應(yīng)力幅與名義應(yīng)力間存在著拋物線關(guān)系，相應(yīng)于零幅值交變應(yīng)力的名義應(yīng)力極限等于材料的拉伸極限。Goodmen用對稱交變應(yīng)力和名義應(yīng)力的線性關(guān)系代替拋物線關(guān)系增加了設(shè)計的安全裕度。事實上，

3、設(shè)計中很多有疲勞極限低于此直線值，Goodmen曲線實為一種保守設(shè)計。Miller用循環(huán)應(yīng)力代替但相對屈服應(yīng)力對這一理論作了另一種解釋。令人驚訝的是，這些理論中的關(guān)系式?jīng)]有一條被試驗驗證。而我們卻已把這些理論廣泛用于工程實際，因此使用諸如Goodmen這些保守理論并非有什么不合理。還有一種情況我們引起注意，即壓應(yīng)力并不減少改變許用的交變載荷。事實上，平均壓應(yīng)力常會增加疲勞強(qiáng)度，所以對于設(shè)計計算，疲勞強(qiáng)度考慮成與零平均應(yīng)力的疲勞強(qiáng)度相一致。2.2 表面光潔度 疲勞裂紋主要生產(chǎn)在材料的自由表面，因此表面因素的性質(zhì)舉足輕重。經(jīng)機(jī)械加工的表面特性，我們考慮以下三種因素：（1） 不規(guī)則的表面劃傷或表面粗

4、糙度（2） 表層中有殘余應(yīng)力（3） 塑性變形和材料表面的微觀結(jié)構(gòu)1） 表面粗糙度 機(jī)械加工表面的粗糙度可用輪廓度計 量，一般表示為偏離中心線的平均值 （CLA）現(xiàn)在常用Ra值表示，Ra 值的范圍從0.25的研磨光潔度至7.5微米的車削光潔度。比較車削或者粗研與細(xì)研或拋光表面，對碳鋼，表面粗糙度使疲勞強(qiáng)度降低大約1025% ，而對高強(qiáng)度鋼，表面租糙度的影響更加明顯。 2） 殘余應(yīng)力 噴丸能夠改變零件的疲勞強(qiáng)度已經(jīng)被證實。由于它對表面光潔度影響不大，很明顯噴丸的引入是增加表面殘余壓應(yīng)力有良性作用。所以表面殘余應(yīng)力狀態(tài)對疲勞強(qiáng)度有重要改善。 3） 塑性變形和微觀結(jié)構(gòu) 微觀結(jié)構(gòu)影響材料的疲勞特性廣為人

5、知，晶粒大小的影響更為重要。然而在大型轉(zhuǎn)子的制造過程中，考察材料基體是否變異的渠道少得可憐，而結(jié)構(gòu)的選擇考慮常常依附于從鍛造到如何加工至最后形狀相聯(lián)系的工藝難易程度。 2.3 尺寸、應(yīng)力梯度由于設(shè)計引起的應(yīng)力集中影響尺寸影響被說成一種或多種因素，但最為人們接受的是如下觀點：1）應(yīng)力梯度影響： 很清楚對于有同樣表面應(yīng)力的轉(zhuǎn)軸，直徑大的則應(yīng)力梯度小，一旦疲勞萌生于次表層的危險區(qū)域內(nèi)，那么大型轉(zhuǎn)軸剛處于非常高的名義應(yīng)力水平，繼而疲勞強(qiáng)度降低。這種解釋適用于沒有拉一壓狀況。 2）概率影響：因為疲勞萌生于表面薄弱處而強(qiáng)度受表面面積影響，所以面積愈大，強(qiáng)度愈低。不管平板試件的疲勞強(qiáng)度受尺寸影響的真實情況如

6、何，人們都相信切口平板試件的疲勞強(qiáng)度與尺寸關(guān)系甚為密切，小試件的最高疲勞強(qiáng)度趨干平板無切口試件的強(qiáng)度。最大試件的強(qiáng)度趨于深切口敏感狀態(tài)的強(qiáng)度，即疲勞強(qiáng)度為 /K t ，其中是無切口平板的疲勞強(qiáng)度，Kt 為應(yīng)力集中系數(shù)。 2.4 環(huán)境影響人們在許多年前就知道環(huán)境是影響金屬疲勞強(qiáng)度的重要因素。其影響分為兩類，其一是疲勞強(qiáng)度的變化不受材料表面嚴(yán)重的腐蝕影響；其二是強(qiáng)度變化由腐蝕或蝕點引起。第二類 情況很難用實驗定量分析，因為腐蝕貫穿于試件壽命的始終，也即許多年，而一般疲勞試驗幾個小時就完成了。另外，腐蝕疲勞的特性與空氣中的試驗不一樣，它的SN曲線常常是趨于連續(xù)向下，甚至在108個循環(huán)下也是如此，即沒

7、有疲勞極限。 2.5 微動影響眾所周知，微動使得材料的疲勞強(qiáng)度急劇下降，例如用En 26鋼 ( 0 .43 C，2.56 Ni，0.62 Cr ，0.54 Mo )，熱處理至強(qiáng)度極限為1043MPa ，發(fā)現(xiàn)其微動疲勞強(qiáng)度降至±32MPa，即僅為拉伸極限的3.1 % ，或者說無微動棒的疲勞強(qiáng)度的 1/17 。比較公允的事實是相對滑移幅在814x10-8 毫米的范圍內(nèi)時，疲勞強(qiáng)度下降最低。 3 高周疲勞失效準(zhǔn)則1）Gough準(zhǔn)則的Lee修正式5 (1)其中A=2（1+BsinU），Ra，Sa分別為分別為彎曲正應(yīng)力幅和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力幅， b是指定壽命N 下的彎曲疲勞極限，t是指定壽命N下的剪切疲

8、勞極限，U為非比例加載時彎曲和扭轉(zhuǎn)的相位差，B為材料常數(shù)。該準(zhǔn)則在比例加載與非比例加載下均適用，比例加載條件下，Lee修正式即Gough 準(zhǔn)則。2）Crossland準(zhǔn)則6 (2)其中為應(yīng)力偏量第二不變的幅值，分別為第一應(yīng)力不變量的幅值和均值，分別為材料在對稱扭轉(zhuǎn)和彎曲時的疲勞強(qiáng)度。該準(zhǔn)則適用于的金屬材料。3）Mcdiarmid準(zhǔn)則7 （3）式中Sa，為臨界面上的剪切應(yīng)力幅和最大正應(yīng)力，分別為出現(xiàn)拉伸(剪切)破壞時的剪切疲勞強(qiáng)度為材料在拉伸時的疲勞強(qiáng)度。通過對EN24T 鋼的管狀試件進(jìn)行彎扭實驗表明，該準(zhǔn)則在比例和非比例兩種情況下都適用。4） Papadopoulos 準(zhǔn)則8 （4）其中分別為

9、彎曲正應(yīng)力幅和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力幅，分別為第一應(yīng)力不變量的幅值和均值，分別為材料在對稱扭轉(zhuǎn)和彎曲的疲勞強(qiáng)度。該準(zhǔn)則適用于的金屬材料。5） Susmel 準(zhǔn)則9 （5）式中為最大剪應(yīng)力平面上的剪切應(yīng)力幅，為臨界面上的最大正應(yīng)力，為扭轉(zhuǎn)疲勞極限，為拉伸疲勞極限。該準(zhǔn)則在比例加載與非比例加載下均適用。6） Liu 準(zhǔn)則10 （6）其中 ，I分別為臨界面上的正應(yīng)力幅、 剪應(yīng)力幅、 靜水應(yīng)力幅。，分別為材料在對稱扭轉(zhuǎn)和彎曲的疲勞強(qiáng)度。該準(zhǔn)則適用于的金屬材料。4 研究高周疲勞的方法目前，確定葉片的疲勞壽命，從應(yīng)力疲勞的角度講11，主要借助于應(yīng)力一壽命的冪函數(shù)關(guān) 系或指數(shù)函數(shù)關(guān)系，從應(yīng)變疲勞的角度講，主要通過反映應(yīng)變

10、一壽命的Mansoncoffi n公式。利用這些應(yīng)力一壽命或應(yīng)變一壽命關(guān)系，首先要確定葉片上的最大振動應(yīng)力或最大振動應(yīng)變8，通常采用粘貼在葉片上的電阻應(yīng)變片來確定葉片上的最大振動應(yīng)力或最大振動應(yīng)變。測量過程中， 要求貼片位于葉片最大振動應(yīng)力部位，要做到這一點，事實上是十分困難的，因為，葉片振動時最大應(yīng)力部位與所出現(xiàn)的葉片振型有關(guān)，與葉片所受的其它負(fù)荷引起的應(yīng)力有關(guān)，同時旋轉(zhuǎn)下的葉片合成應(yīng)力，使得最大應(yīng)力區(qū)有所改變，所以，測量結(jié)果很難準(zhǔn)確地反映最大振動應(yīng)力或最大振動應(yīng)變。如欲提高測試精度，只好在最大應(yīng)力區(qū)多貼幾片，逐點測量，觀測其中最大值，顯然這樣做工作量太大。另外，葉片振動過程中，其上應(yīng)力一應(yīng)

11、變處于彈性、三軸狀態(tài)，在這種情況下，前述應(yīng)力一壽命或應(yīng)變一壽命關(guān)系的適用性及精確性值得懷疑，為解決這些困難，提出了af值( 葉尖振幅與葉片固有振動頻率乘積)的概念，af值能夠反映葉片上的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變，它的提出，一方面，解決了在葉片上尋找最大應(yīng)力部位的困難，另一方面，測量低階振動與高階振動一樣，都不需要尋求最大振動應(yīng)力部位。既然af值反映了葉片上的最大振動應(yīng)力和最大振動應(yīng)變，它也一定與葉片疲勞壽命存在關(guān)系。經(jīng)過研究得到：1 ) 航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片振動狀態(tài)下，af值與葉片疲勞壽命 N的關(guān)系為 其中：b、c、d是由試驗確定的常數(shù)，它們不僅與葉片材料有關(guān)，而且還與葉片形狀有關(guān)。與傳統(tǒng)的應(yīng)力疲勞

12、的數(shù)學(xué)模型相比，af值與葉片疲勞壽命N的關(guān)系既不是冪函數(shù)，也不是簡單的指數(shù)函數(shù)。2 ) a f值與葉片疲勞壽命 N的關(guān)系提供了確定葉片振動疲勞壽命的可能。 3 ) a f值與葉片疲勞壽命 N的關(guān)系提供了研究材料多軸高周疲勞行為的新途徑。 5 結(jié)束語隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，很多可能產(chǎn)生疲勞破壞的發(fā)動機(jī)葉片的設(shè)計壽命越來越高，因此，金屬高周疲勞甚至超高范圍疲勞成為一個值得關(guān)注的課題。雖然在過去幾十年已經(jīng)展開了一些研究，但是所得到的結(jié)果和建立的理論還不能滿足疲勞設(shè)計的需要。6 參考文獻(xiàn)1 Wang WeiHua， Wang R J， Li F Y， etal. Elastic constants and

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