缺口对TC4高循环疲劳强度的影响及预测方法研究
叶片外物损伤（Foreign Object Damage，FOD）是航空发动机使用中的常见问题，容易引发叶片的高循环疲劳（High Cycle Fatigue，HCF）断裂失效，影响航空发动机使用的安全性、经济性和战备完好性。缺口是叶片FOD的主要表现形式之一，研究不同几何特征的加工缺口对叶片材料HCF强度的影响规律和发展准确的缺口疲劳强度预测方法，对深入认识FOD对叶片材料HCF强度的影响规律和发展设计预测方法具有重要的指导作用。本眼前就主要内容包括： ⑴对加工缺口和FOD的关系及缺口HCF试验和疲劳强度预测方法方面的国内外研究现状进行了回顾和综述。结果表明：FOD一定程度上可以等效为具有某一应力集中系数的缺口；国内外研究中缺口几何与HCF强度之间的关系仍缺乏系统的研究；缺口的HCF强度预测方法有待进一步的研究。 ⑵开展了TC4钛合金的单拉试验、光滑试样和具有不同几何尺寸缺口试样的HCF试验研究。对HCF失效断裂的试样进行了断口分析，结果表明：HCF强度均随着缺口底部半径的增加而增大，且基本呈线性的规律；缺口深度对HCF强度的影响存在一个临界值，缺口深度在临界值左右时与HCF强度的相关性大小不同；缺口张角在0°~90°之间变化时对TC4缺口HCF强度几乎没有影响，当缺口张角超过90°时，缺口疲劳强度随着张角增加逐渐增大。在一定的缺口几何区间内，单纯用Kt描述HCF强度的严重程度是不合理的；不同几何条件下的HCF失效断口表面的疲劳萌生源的位置以及扩展的激烈程度都有所差异。 ⑶基于传统疲劳缺口系数经验公式、临界距离理论和最弱环理论对缺口的HCF强度进行了预测、修正并与试验结果进行了对比，结果表明：传统疲劳缺口系数经验公式对多数TC4缺口HCF强度具有较好的预测结果，Neuber公式的预测结果好于Peterson公式。临界距离并不只是材料的基本参数，而是一个和缺口几何相关的量；基于缺口根部半径修正之后的临界距离能够很好的预测缺口的HCF强度，预测结果均在试验结果的±10％误差带内，且大多数预测结果在5%误差带内。最弱环理论可直接根据光滑试样疲劳数据预测缺口的疲劳强度，使用较为方便。该方法对本文TC4缺口HCF强度的预测结果均在试验结果的±20%误差带内，且大多数预测结果在10%误差带内。
航空发动机;钛合金叶片;外物损伤;结构力学
南京航空航天大学
硕士
航空宇航推进理论与工程
胡绪腾
2014
中文
V231.95;V252.24
97
2016-03-01（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）