航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片外物損傷試驗(yàn)?zāi)M方法

潘 輝，趙振華，陳 偉

（南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，南京 210016）

0 引言

葉片外物損傷是航空發(fā)動(dòng)機(jī)在近地狀態(tài)飛行時(shí)可能出現(xiàn)的故障之一，嚴(yán)重的引起葉片疲勞斷裂，從而嚴(yán)重威脅飛機(jī)的飛行安全。20世紀(jì)90年代中期，在美國(guó)高循環(huán)疲勞科學(xué)技術(shù)計(jì)劃（簡(jiǎn)稱HCF計(jì)劃）的支持下，對(duì)葉片F(xiàn)OD問題開展了大量研究工作，深入研究了FOD特征及其對(duì)葉片HCF強(qiáng)度的影響規(guī)律，發(fā)展和評(píng)估了FOD的試驗(yàn)?zāi)M方法、數(shù)值仿真方法以及損傷葉片HCF強(qiáng)度的試驗(yàn)方法和理論預(yù)測(cè)方法，并最終形成了新的葉片F(xiàn)OD容限設(shè)計(jì)技術(shù)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[1]。其中研究的有6種：機(jī)械加工缺口法；擺錘/落錘法；螺線槍法；準(zhǔn)靜態(tài)擠壓法；空氣炮法和整機(jī)吸入試驗(yàn)法。從理論上講，整機(jī)吸入試驗(yàn)是惟一能夠精確模擬FOD對(duì)整機(jī)影響的試驗(yàn)方法，但由于試驗(yàn)費(fèi)用巨大且科研價(jià)值有限，未見有相關(guān)的試驗(yàn)研究及論文、報(bào)告發(fā)表，故不對(duì)其作深入探討。其余5種試驗(yàn)?zāi)M方法可以概括為4類：機(jī)械加工缺口法、低速?zèng)_擊方法、準(zhǔn)靜態(tài)擠壓法和高速?gòu)椀罌_擊法。本文對(duì)這4類方法進(jìn)行概述分析，詳細(xì)介紹其基本原理、特點(diǎn)及應(yīng)用情況，以期為國(guó)內(nèi)深入開展相關(guān)的試驗(yàn)研究工作提供參考。

1 機(jī)械加工缺口法

機(jī)械加工缺口法具有操作簡(jiǎn)單、可重復(fù)性和可控制性強(qiáng)、試驗(yàn)成本低等特點(diǎn)，在早期的FOD研究中被廣泛采用。1959年，英國(guó)RR公司的Dunham等[1]首次運(yùn)用該方法在鋼、鈦、鋁3種材料的真實(shí)葉片上模擬了FOD，研究了在1彎振型下?lián)p傷葉片的疲勞強(qiáng)度。1990年，喬文逍等[2]根據(jù)GJB241-87的要求，在某發(fā)動(dòng)機(jī)第1級(jí)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片上機(jī)械加工了Kt=3的缺口，并在發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)上進(jìn)行了初步的葉片抗FOD能力考核試驗(yàn)。然而，機(jī)械加工的模擬損傷不具有典型的FOD特征，其損傷缺口附近幾乎不存在殘余應(yīng)力場(chǎng)、微小裂紋和微觀結(jié)構(gòu)損傷。在HCF計(jì)劃中，基于機(jī)械加工缺口法的大量試驗(yàn)研究表明[3]：機(jī)械加工的損傷缺口尺寸同F(xiàn)OD缺口尺寸之間沒有必然聯(lián)系。由此可見，通過機(jī)械加工缺口法在葉片或試樣（統(tǒng)稱“目標(biāo)體”，下同）上模擬FOD，并以此為基礎(chǔ)評(píng)估葉片的抗FOD能力，從本質(zhì)上講是不科學(xué)的。

2 低速?zèng)_擊方法

低速?zèng)_擊方法是相對(duì)簡(jiǎn)單的1種FOD試驗(yàn)?zāi)M方法，包括擺錘/落錘法和螺線槍法。其基本原理：基于能量等效原則，以低速?zèng)_擊過程（＜10 m/s）模擬FOD。該方法是HCF計(jì)劃中模擬FOD的1類重要方法，在研究FOD對(duì)材料或簡(jiǎn)單部件疲勞強(qiáng)度的影響方面有著較為廣泛的應(yīng)用。

低速?zèng)_擊方法的基本試驗(yàn)過程：固定目標(biāo)體，刀口在外力驅(qū)動(dòng)下加速并沖擊目標(biāo)體，產(chǎn)生模擬FOD。在擺錘/落錘法中，加速刀口的驅(qū)動(dòng)力是重力，沖擊能量通過調(diào)整擺臂轉(zhuǎn)角/落錘豎直高度控制。在擺錘試驗(yàn)中，沖擊過程將導(dǎo)致擺臂反彈，因此需附加設(shè)計(jì)擺臂捕獲系統(tǒng)，以防止擺錘對(duì)目標(biāo)體的2次沖擊。而在落錘試驗(yàn)中，由于落錘質(zhì)量大且運(yùn)動(dòng)軌跡沿豎直方向，沖擊造成的反彈作用微弱，因此不存在2次沖擊問題。擺錘/落錘法的優(yōu)勢(shì)是沖擊能量計(jì)算簡(jiǎn)便，不足在于無(wú)法精確確定沖擊過程所消耗的能量。與擺錘/落錘法不同，螺線槍法中加速刀口的驅(qū)動(dòng)力是安培力。在螺線槍試驗(yàn)系統(tǒng)中，刀口夾頭的尾部支桿上纏繞電感線圈，在給定能量條件下，電感線圈受安培力作用并促使整個(gè)“刀口-夾頭-支桿-線圈”系統(tǒng)加速，直至沖擊目標(biāo)體產(chǎn)生模擬FOD。螺線槍法具有好的可控制性和速度可重復(fù)性，是美國(guó)GE公司模擬FOD的基準(zhǔn)試驗(yàn)方法[3]。

低速?zèng)_擊方法的優(yōu)點(diǎn)是使用方便，重復(fù)性好，便于在大量目標(biāo)體上快速模擬FOD，試驗(yàn)成本低、效率高，刀口的形狀可以任意選擇，以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定形狀FOD的模擬；主要缺點(diǎn)是“沖擊能量-損傷深度”關(guān)系會(huì)隨目標(biāo)體的結(jié)構(gòu)變化而變化，因此試驗(yàn)前必須校準(zhǔn)這一關(guān)系。該方法能模擬出明顯的殘余應(yīng)力場(chǎng)，但其量值和塑性強(qiáng)化特征與典型FOD引起的有明顯不同。由于受沖擊載荷的作用，低速?zèng)_擊試驗(yàn)中有可能發(fā)生掉塊現(xiàn)象。與機(jī)械加工缺口法相比，這一特征使得其模擬的FOD更為接近真實(shí)的FOD。

近年來(lái)，中國(guó)基于低速?zèng)_擊方法開展了部分FOD研究工作。康繼東等[4-5]分別對(duì)TC4合金平板葉片和真實(shí)葉片進(jìn)行擺錘沖擊試驗(yàn)和振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，對(duì)比分析了損傷葉片維修前、后的振動(dòng)疲勞壽命。周勝田等[6]采用落錘法在TC4合金平板試樣上模擬FOD，研究沖擊損傷對(duì)TC4合金試樣疲勞壽命的影響。

3 準(zhǔn)靜態(tài)擠壓法

準(zhǔn)靜態(tài)擠壓法的試驗(yàn)流程是：固定目標(biāo)體到伺服液壓或螺旋驅(qū)動(dòng)的夾持系統(tǒng)，安裝刀口于刀口夾頭，降低夾頭至刀口與目標(biāo)體剛好接觸，通過液壓、機(jī)械或電動(dòng)方式準(zhǔn)靜態(tài)驅(qū)動(dòng)刀口，直至在目標(biāo)體上產(chǎn)生預(yù)置深度的模擬FOD。采用準(zhǔn)靜態(tài)擠壓法模擬FOD的深度通過夾頭位移或最大載荷控制，比低速?zèng)_擊方法更為方便。但是，由于受載荷擾動(dòng)、刀口與目標(biāo)體起始接觸位置的判斷誤差等因素影響，試驗(yàn)前仍有必要校準(zhǔn)“夾頭位移/載荷-損傷深度”關(guān)系。與低速?zèng)_擊方法一樣，試驗(yàn)時(shí)刀口的形狀可以任意選擇，以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定形狀FOD的模擬。準(zhǔn)靜態(tài)擠壓法也能模擬出明顯的殘余應(yīng)力場(chǎng)，但其量值和塑性強(qiáng)化特征與典型FOD、低速?zèng)_擊方法模擬的均有明顯不同。特別指出的是，準(zhǔn)靜態(tài)擠壓試驗(yàn)可提供連續(xù)的“載荷-位移”信息，使得確定輸入目標(biāo)體的凈能量成為可能。

Mall等[7]曾用準(zhǔn)靜態(tài)擠壓法在Ti-6Al-4V合金平板試樣上模擬FOD（如圖1所示），并進(jìn)行了損傷試樣的疲勞極限。結(jié)果表明：模擬損傷處有明顯的塑性變形，損傷深度超過2000 μm時(shí)可見剪切裂紋，含剪切裂紋損傷試樣的疲勞極限約200 MPa，且基本保持穩(wěn)定，是未損傷試樣疲勞極限的1/3（如圖2所示）。據(jù)此認(rèn)為Kf=3代表了最嚴(yán)重的FOD。

圖2 Mall的疲勞試驗(yàn)結(jié)果[7]

4 高速?gòu)椀罌_擊法

高速?gòu)椀罌_擊法被認(rèn)為是最能準(zhǔn)確模擬FOD的試驗(yàn)方法。其基本原理是：高壓氣體膨脹作功，推動(dòng)外物在炮管內(nèi)加速，直至飛出并沖擊固定在炮口前的目標(biāo)體，產(chǎn)生模擬FOD。根據(jù)高壓氣體的不同來(lái)源，高速?gòu)椀罌_擊法可分為槍彈法和空氣炮法2種形式。前者在中國(guó)僅有的2次高速?gòu)椀罌_擊模擬FOD試驗(yàn)中被采用，后者是近十余年來(lái)國(guó)外開展FOD模擬試驗(yàn)的主流方法。

20世紀(jì)80年代末，孫振德等[8]采用槍彈法在某型發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上模擬了FOD，對(duì)損傷葉片的剩余振動(dòng)疲勞壽命及葉片的損傷容限進(jìn)行了研究。其試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括發(fā)射裝置、測(cè)速裝置和葉片固持裝置。發(fā)射裝置是口徑為7.62 mm、長(zhǎng)500 mm的1支常規(guī)步槍。待發(fā)射外物（鋼珠或砂粒）裝在1對(duì)尼龍彈托中并用槍油封住，彈托靠壓彈器壓入拔掉彈頭的彈殼中。彈殼中裝有片狀火藥，經(jīng)瞄準(zhǔn)發(fā)射后，火藥爆炸產(chǎn)生高壓氣膨脹作功，加速?gòu)椡泻屯馕锸蛊渖涑鰳尮?。在空氣阻力作用下?半彈托自行分開，外物脫離彈托后繼續(xù)沿某一彈道軌跡運(yùn)動(dòng)，經(jīng)測(cè)速裝置后沖擊到固持葉片的前緣，產(chǎn)生模擬FOD。為防止彈托擊中葉片，設(shè)計(jì)了1塊帶狹縫的鋼板安置于葉片前面，起分離彈托的作用。2009年，胡緒騰等[9]亦采用槍彈法在TC4合金平板葉片上模擬FOD，研究了FOD對(duì)TC4模擬葉片HCF強(qiáng)度的影響。槍彈法的主要缺點(diǎn)是：發(fā)射外物的速度極不穩(wěn)定，即便是十分精確地控制每次試驗(yàn)的火藥用量，依然具有很大的分散性。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 槍彈法和空氣炮法外物發(fā)射速度的分散性比較

空氣炮試驗(yàn)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。與槍彈法不同，空氣炮法使用壓縮空氣加速外物，通過調(diào)節(jié)壓縮空氣壓力控制外物發(fā)射速度。空氣炮法亦采用彈托結(jié)構(gòu)，發(fā)射外物的形狀、尺寸等不受炮管直徑限制。而且，通過改變外物在彈托中的安裝方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)外物撞擊目標(biāo)體姿態(tài)的控制，亦即模擬FOD形貌的控制，如圖4所示?？諝馀诜ǘ嘁怨怆姕y(cè)速系統(tǒng)測(cè)定外物發(fā)射速度，測(cè)速位置在炮管末端。這種設(shè)計(jì)便于縮短炮口和目標(biāo)體之間的距離，從而減少外物的自由飛行距離，有助于提高試驗(yàn)的可重復(fù)性和可控制性。目標(biāo)體的固持裝置設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，方便以不同的外物入射角模擬FOD?？諝馀诜ǖ闹饕窒奘强芍貜?fù)性和可控制性較差，但國(guó)外使用經(jīng)驗(yàn)表明，這一局限可通過大量的使用經(jīng)驗(yàn)積累得到改善。近10余年來(lái)，國(guó)外在空氣炮法模擬FOD方面已經(jīng)積累了豐富的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，其外物發(fā)射速度及模擬FOD的可重復(fù)性和可控制性已經(jīng)達(dá)到很高的水平。

高速?gòu)椀罌_擊法能夠模擬出典型的FOD微觀損傷特征——絕熱剪切帶。絕熱剪切帶是在高應(yīng)變率條件下形成的1種微觀結(jié)構(gòu)損傷特征。由于受高應(yīng)變率的作用，材料局部大塑性畸變產(chǎn)生的熱量來(lái)不及傳輸出去，致使金屬發(fā)生明顯的熔化和重凝結(jié)過程，從而在塑性變形區(qū)中形成一些白色的亮帶，即絕熱剪切帶。在交變載荷作用下，絕熱剪切帶容易誘使疲勞裂紋萌生并沿剪切帶延伸方向擴(kuò)展，引起材料或部件發(fā)生疲勞斷裂失效。Roder等[10]顯微觀察了硬質(zhì)鋼珠（309 m/s）沖擊Ti-6Al-4V合金平板試樣的損傷缺口，繪制了其絕熱剪切帶的分布示意圖，如圖5所示。Ti-6Al-4V合金平板試樣上V型模擬FOD邊緣區(qū)域的背散射電子顯微鏡照片如圖6所示。從圖中可見，其絕熱剪切帶的分布與圖5中的基本類似。絕熱剪切帶的存在表明：高速?gòu)椀罌_擊法能夠再現(xiàn)

FOD中的高應(yīng)變率過程，因而能夠更為準(zhǔn)確地模擬FOD。

為推動(dòng)中國(guó)對(duì)葉片F(xiàn)OD問題的研究，促進(jìn)中國(guó)空氣炮法模擬FOD試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，南京航空航天大學(xué)202教研室于2010年開始設(shè)計(jì)和建設(shè)用于葉片F(xiàn)OD模擬的空氣炮試驗(yàn)系統(tǒng)，現(xiàn)已基本建成并投入使用，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示。該試驗(yàn)系統(tǒng)可發(fā)射橫截面直徑為1～10 mm的各類外物（鋼珠、金屬塊、石塊等），發(fā)射速度為 100～400 m/s。目前，已利用該試驗(yàn)系統(tǒng)開展了部分研究工作，如“外物（鋼珠）沖擊速度對(duì)模擬FOD特征的影響分析”、“FOD 對(duì)TC4合金平板試樣高低周復(fù)合疲勞性能的影響研究”等，積累了一定的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，為深入開展葉片F(xiàn)OD問題研究奠定了基礎(chǔ)。采用該試驗(yàn)系統(tǒng)模擬的FOD形貌如圖8所示。

5 總結(jié)

（1）機(jī)械加工缺口法操作簡(jiǎn)單、可重復(fù)性和可控制性強(qiáng)，但模擬損傷不具有典型的FOD特征：殘余應(yīng)力、表面小裂紋、微結(jié)構(gòu)損傷。

（2）低速?zèng)_擊方法和準(zhǔn)靜態(tài)擠壓法，試驗(yàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，能產(chǎn)生殘余應(yīng)力場(chǎng)，但與FOD引起的有明顯差異。

（3）高速?gòu)椀罌_擊法是最能準(zhǔn)確模擬FOD的試驗(yàn)方法，可模擬出典型的FOD微觀損傷特征—絕熱剪切帶。與槍彈法相比，空氣炮法的可重復(fù)性和可控制性較好，是國(guó)外開展FOD模擬試驗(yàn)的主流方法。

（4）中國(guó)對(duì)葉片F(xiàn)OD的試驗(yàn)?zāi)M研究不足，采用空氣炮法模擬FOD的試驗(yàn)技術(shù)研究亟待開展。

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