圓弧形榫連結(jié)構(gòu)低循環(huán)疲勞試驗(yàn)與壽命分析

李　迪，王延榮，廖連芳，王家廣，衛(wèi)飛飛（.中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)研發(fā)中心，上海008；.北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京009）

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圓弧形榫連結(jié)構(gòu)低循環(huán)疲勞試驗(yàn)與壽命分析

李迪1，王延榮2，廖連芳1，王家廣1，衛(wèi)飛飛1
（1.中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)研發(fā)中心，上海201108；2.北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京100191）

摘要：針對(duì)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)采用的圓弧形燕尾榫連結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了縮尺的雙榫頭疲勞試驗(yàn)件及其試驗(yàn)夾具。開展了不同載荷水平下的低循環(huán)疲勞試驗(yàn)，并對(duì)比了表面強(qiáng)化對(duì)試驗(yàn)件疲勞特性的影響，給出了可初步用于設(shè)計(jì)的疲勞壽命S - N曲線。研究表明：圓弧形燕尾榫頭試件的疲勞失效形式為微動(dòng)磨損導(dǎo)致的疲勞斷裂；相同疲勞載荷水平下，表面強(qiáng)化試驗(yàn)件的疲勞壽命比未強(qiáng)化試驗(yàn)件的高40%～65%；不同載荷水平下的試驗(yàn)結(jié)果基本符合Miner累積損傷準(zhǔn)則。

關(guān)鍵詞：大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)；榫連結(jié)構(gòu)；低循環(huán)疲勞；微動(dòng)疲勞；表面強(qiáng)化；Miner準(zhǔn)則

1　引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)中廣泛采用的榫連結(jié)構(gòu)，在葉片離心載荷和葉片振動(dòng)作用下，容易出現(xiàn)微動(dòng)疲勞破壞。國內(nèi)外對(duì)此開展了大量試驗(yàn)與數(shù)值研究［1-5］，表明減小接觸區(qū)域的應(yīng)力水平有益于改善榫連結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能［6-7］，但在結(jié)構(gòu)疲勞失效機(jī)理上還未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，仍有待于更加深入的研究。

圓弧形燕尾榫連結(jié)構(gòu)由于在相同空氣流量下可使發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)口直徑較小，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)有益［8］，而在大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上得到較為廣泛的應(yīng)用，如RB211系列、Trent系列和CFM56-7等。國內(nèi)對(duì)于圓弧形榫頭的設(shè)計(jì)和研究較少，且主要針對(duì)平直型燕尾榫連結(jié)構(gòu)展開［5］。受幾何構(gòu)型［9］、載荷條件［10］及表面接觸條件［11］等多種因素影響，榫連結(jié)構(gòu)的疲勞失效機(jī)理復(fù)雜，對(duì)其工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用帶來很大挑戰(zhàn)。目前，試驗(yàn)研究仍然是其設(shè)計(jì)的主要手段。針對(duì)榫連結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究主要分為兩類：一是以研究微動(dòng)損傷機(jī)理為目標(biāo)的典型微動(dòng)疲勞試驗(yàn)，主要采用柱面-平面接觸、帶圓角沖頭-平面接觸等形式，國內(nèi)外已經(jīng)開展大量此類試驗(yàn)［12-15］；二是榫連結(jié)構(gòu)的模擬件試驗(yàn)。Golden等［16-18］制造了不同接觸角的榫連結(jié)構(gòu)并開展了微動(dòng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著接觸角的增加，模擬件的微動(dòng)疲勞壽命有降低的趨勢。Conner［19］采用了相似的試驗(yàn)形式，但更側(cè)重于研究接觸表面處理工藝對(duì)微動(dòng)疲勞性能的影響。Rajasekaran［20］進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)載荷的試驗(yàn)?zāi)M。以上針對(duì)榫連結(jié)構(gòu)模擬件的試驗(yàn)研究，為本文的試驗(yàn)開展提供了很好的借鑒。

鑒于此，為考查圓弧形榫連結(jié)構(gòu)的疲勞特性，本文利用設(shè)計(jì)的圓弧形榫連結(jié)構(gòu)低循環(huán)疲勞試驗(yàn)件及其夾具，開展了縮尺試驗(yàn)件的疲勞試驗(yàn)，并對(duì)比了表面強(qiáng)化對(duì)榫頭試驗(yàn)件疲勞特性的影響，以初步建立可用于大涵道比風(fēng)扇葉片圓弧形榫連結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)方法。

2　研究對(duì)象

研究對(duì)象為一大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片/盤連接結(jié)構(gòu)，其低循環(huán)疲勞設(shè)計(jì)目標(biāo)為15 000個(gè)起落。風(fēng)扇葉片/盤材料為鈦合金，葉片采用寬弦復(fù)合彎掠設(shè)計(jì)，葉片/盤之間采用圓弧形軸向燕尾榫連結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 風(fēng)扇葉片/盤模型Fig.1 Fan blade/disk model

3　低循環(huán)疲勞試驗(yàn)裝置

由于發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)為15 000個(gè)起落，約相當(dāng)于30 000個(gè)基準(zhǔn)循環(huán)，需要鈦合金寬弦風(fēng)扇葉片/盤的圓弧形榫連接結(jié)構(gòu)通過60 000次低循環(huán)疲勞壽命考核。針對(duì)該目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一套圓弧形榫連結(jié)構(gòu)低循環(huán)疲勞試驗(yàn)裝置方案，以考查該圓弧榫連結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能。

設(shè)計(jì)的鈦合金寬弦風(fēng)扇葉片（含圓弧形榫頭）的最大離心負(fù)荷約為90.0 t。受試驗(yàn)機(jī)加載的限制，取1：2.5縮比的榫連結(jié)構(gòu)承受的拉伸載荷（15.0 t）作為100%載荷模擬葉片的最大離心負(fù)荷。為簡化試驗(yàn)的復(fù)雜性，暫不考慮溫度載荷，同時(shí)假定葉片離心彎矩與氣動(dòng)彎矩抵消，即試驗(yàn)設(shè)計(jì)中只考慮葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心載荷，則圓弧形榫連結(jié)構(gòu)的低循環(huán)疲勞試驗(yàn)可簡化為拉-拉疲勞試驗(yàn)。

低循環(huán)疲勞試驗(yàn)在Instron 8802電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖2所示。試驗(yàn)件為雙榫頭的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，即直葉身兩端設(shè)計(jì)有完全相同的榫頭。與榫頭相配合的榫槽夾具設(shè)計(jì)為通過銷釘與試驗(yàn)機(jī)的耳片相連，以便于在疲勞試驗(yàn)機(jī)上實(shí)現(xiàn)載荷施加；同時(shí)，通過交叉90°的銷釘設(shè)計(jì)，以消除拉伸時(shí)的附加彎矩作用。榫頭試驗(yàn)件共16件，其中普通試驗(yàn)件（以下簡稱為Ⅰ型）共9件，表面強(qiáng)化（表面噴丸和噴涂處理）試驗(yàn)件（以下簡稱為Ⅱ型）共7件；榫槽試驗(yàn)件4套，可根據(jù)試驗(yàn)后磨損情況進(jìn)行修復(fù)。加工完成的試驗(yàn)件及夾具如圖3所示。

圖2 低循環(huán)疲勞試驗(yàn)裝置Fig.2 Apparatus of the low cycle fatigue experiment

圖3 圓弧形榫連結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件及夾具Fig.3 Curved dovetail specimen and its fixture

4　低循環(huán)疲勞試驗(yàn)及分析

試驗(yàn)載荷譜采用梯形波，見圖4。加載時(shí)間Δt1= 2.0 s，峰值保載時(shí)間Δt2=2.0 s，卸載時(shí)間Δt3=2.0 s，谷值保載時(shí)間Δt4=0.5 s，故低循環(huán)疲勞試驗(yàn)單個(gè)循環(huán)時(shí)間為6.5 s。谷值載荷為峰值的1/16。

圖4 低循環(huán)疲勞試驗(yàn)載荷譜Fig.4 Loading spectrum of LCF experiments

考慮到載荷施加等試驗(yàn)誤差，為確保試驗(yàn)結(jié)果的保守性，在設(shè)計(jì)載荷15.0 t的基礎(chǔ)上疊加10%的儲(chǔ)備裕度，則Ⅰ型試驗(yàn)件初始試驗(yàn)載荷為16.5 t。鑒于Ⅱ型試驗(yàn)件采用的表面強(qiáng)化有益于疲勞強(qiáng)度的提升，為縮短試驗(yàn)時(shí)間，同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，則在15.0 t載荷基礎(chǔ)上疊加30%的儲(chǔ)備裕度，即在19.5 t載荷下進(jìn)行Ⅰ型和Ⅱ型試驗(yàn)件的對(duì)比試驗(yàn)；在此基礎(chǔ)上，采用遞加2.0 t的梯次加載方法在21.5 t和23.5 t載荷下進(jìn)行試驗(yàn)，以獲取S - N曲線。

針對(duì)Ⅰ型試驗(yàn)件，在最大載荷Fmax=23.5、21.5、19.5、16.5 t共4級(jí)載荷水平下完成低循環(huán)疲勞試驗(yàn)，以獲取S - N曲線；對(duì)于Ⅱ型試驗(yàn)件，則參考Ⅰ型試驗(yàn)件的試驗(yàn)結(jié)果開展對(duì)比試驗(yàn)，以獲取表面噴丸和噴涂處理等強(qiáng)化措施對(duì)榫頭疲勞性能的影響規(guī)律。

試驗(yàn)步驟：①在榫頭試樣表面兩側(cè)相同位置貼應(yīng)變片；②在榫頭、榫槽工作面均勻涂潤滑劑（二硫化鉬），裝配圓弧榫頭與榫槽；③將試驗(yàn)夾具與試驗(yàn)機(jī)裝配連接；④將榫頭上布置的各應(yīng)變片與應(yīng)變測量儀按對(duì)應(yīng)通道連接并進(jìn)行測量，檢驗(yàn)試驗(yàn)件的彎曲程度，確保彎曲百分比符合HB 5287-1996［21］試驗(yàn)要求；⑤設(shè)置試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)參數(shù)及限位參數(shù)，全面檢查后開始試驗(yàn)。

對(duì)于Ⅰ型試驗(yàn)件，失效均發(fā)生在榫頭接觸面上，試驗(yàn)結(jié)果見表1?？梢?，峰值載荷為16.5 t的試驗(yàn)件的斷裂壽命均超出60 000個(gè)循環(huán)。

試驗(yàn)后，對(duì)試驗(yàn)件和夾具進(jìn)行分解檢查，發(fā)現(xiàn)裂紋均出現(xiàn)在榫頭接觸面上。以1#試驗(yàn)件為例，裂紋長度約為61 mm，位于下側(cè)榫頭葉盆一側(cè)的接觸面，見圖5。榫頭與榫槽接觸面均有明顯磨痕，可初步判斷榫頭的疲勞失效過程為微動(dòng)磨損引起的疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展。

基于Ⅰ型試驗(yàn)件的試驗(yàn)結(jié)果，選取Fmax=23.5、21.5、19.5 t共3級(jí)載荷水平開展Ⅱ型試驗(yàn)件的對(duì)比試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)疲勞失效同樣均發(fā)生在榫頭接觸面上，試驗(yàn)結(jié)果見表2。從表中可以看出，載荷水平相同時(shí)，經(jīng)表面噴丸和噴涂處理強(qiáng)化后試驗(yàn)件的壽命，比未強(qiáng)化處理試驗(yàn)件的壽命有較大幅度提高，這表明圓弧榫頭接觸表面噴丸和噴涂處理可以大幅提高試驗(yàn)件的疲勞壽命。

表1 Ⅰ型試驗(yàn)件低循環(huán)疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table 1 LCF experimental results of specimens in typeⅠ

圖5 1#試驗(yàn)件榫頭/榫槽表面磨損情況Fig.5 Wear condition of the contact surface（specimen 1#）

表2 Ⅱ型試驗(yàn)件低循環(huán)疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table 2 LCF experimental results of specimens in typeⅡ

根據(jù)表1和表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得到載荷幅值與疲勞壽命的關(guān)系如圖6所示。

工程上常用Basquin公式對(duì)疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，其表達(dá)式為：

式中：Sa為加載載荷幅值，C、m為擬合參數(shù)。使用該式對(duì)圓弧榫頭疲勞壽命曲線進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖7所示，擬合得到的Ⅰ型、Ⅱ型試驗(yàn)件的S - N曲線分別見式（2）和式（3）。

圖6 圓弧榫頭低循環(huán)疲勞壽命結(jié)果Fig.6 LCF experimental results of curved dovetail specimens

圖7 圓弧榫頭低循環(huán)疲勞S - N曲線Fig.7 S - N curves of curved dovetail specimens

表1和表2中的疲勞壽命為試驗(yàn)件斷裂或出現(xiàn)長裂紋時(shí)的記錄數(shù)據(jù)，而工程設(shè)計(jì)中多采用裂紋萌生壽命進(jìn)行計(jì)算。試驗(yàn)過程中位移-壽命曲線在最后階段會(huì)出現(xiàn)顯著上揚(yáng)的現(xiàn)象，這通?？杀徽J(rèn)為是試驗(yàn)件在疲勞過程中發(fā)生了較大改變所致，而這種改變被認(rèn)為是疲勞裂紋開始萌生。圖8為試驗(yàn)件位移-壽命曲線拐點(diǎn)處的局部放大圖，可見隨著循環(huán)數(shù)的增加試驗(yàn)件的位移發(fā)生了變化。裂紋萌生壽命可通過位移上限與循環(huán)數(shù)的關(guān)系曲線確定，為消除試驗(yàn)過程中位移上限-壽命曲線自身波動(dòng)的影響，試驗(yàn)中認(rèn)為當(dāng)位移變化0.05 mm時(shí)試驗(yàn)件萌生了裂紋。圖8中紅線位置對(duì)應(yīng)的壽命為試驗(yàn)件的裂紋萌生壽命。

圖8 位移-壽命曲線局部放大圖Fig.8 Partial enlarged drawing of the displacement-life curves

表3 試驗(yàn)件裂紋萌生壽命結(jié)果Table 3 Crack initiation life of the specimens

裂紋萌生壽命估計(jì)值見表3。在23.5 t載荷作用下，Ⅰ型試驗(yàn)件的平均裂紋萌生壽命約占平均斷裂壽命的87%，Ⅱ型試驗(yàn)件的平均裂紋萌生壽命約占平均斷裂壽命的81%。這表明表面強(qiáng)化后試驗(yàn)件的裂紋萌生壽命占總壽命的百分比有所降低，即表面噴丸和噴涂處理減緩了裂紋擴(kuò)展速率，增加了試驗(yàn)件的裂紋擴(kuò)展壽命。

根據(jù)表3中估計(jì)的裂紋萌生壽命，可用Basquin公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合獲得裂紋萌生壽命的S - N曲線，Ⅰ型、Ⅱ型試驗(yàn)件對(duì)應(yīng)裂紋萌生的S - N曲線分別見式（4）和式（5），如圖9中虛線所示?？梢?，同類型試驗(yàn)件的裂紋萌生壽命明顯小于破壞壽命，即裂紋萌生壽命曲線在相應(yīng)疲勞壽命曲線的左側(cè)；相同載荷水平下，Ⅱ型試驗(yàn)件的裂紋萌生壽命明顯大于Ⅰ型試驗(yàn)件。

圖9 對(duì)應(yīng)裂紋萌生壽命的S - N曲線Fig.9 S - N curve for the crack initiation life

由表3和圖9可知，16.5 t載荷水平下，Ⅰ型試驗(yàn)件的裂紋萌生壽命滿足60 000循環(huán)的設(shè)計(jì)要求。21.5 t載荷水平下，Ⅱ型試驗(yàn)件的平均裂紋萌生壽命比Ⅰ型試驗(yàn)件提高約40%；19.5 t載荷水平下，Ⅱ型試驗(yàn)件的平均裂紋萌生壽命比Ⅰ型試驗(yàn)件提高約65%。因此，表面強(qiáng)化能顯著提高圓弧形榫頭的低循環(huán)疲勞壽命。

5　累積損傷分析與規(guī)律驗(yàn)證

為驗(yàn)證圓弧形榫連結(jié)構(gòu)低循環(huán)疲勞對(duì)于線性累積疲勞損傷理論的符合性，新增一雙榫頭試驗(yàn)件（17#）。該試驗(yàn)件為Ⅰ型試驗(yàn)件，在16.5 t載荷下經(jīng)歷60 612次循環(huán)后，將載荷提高到19.5 t又進(jìn)行了20 001次循環(huán)，最后再將載荷提高至21.5 t經(jīng)4 436次循環(huán)后出現(xiàn)裂紋。

根據(jù)表1和表3計(jì)算可知，Ⅰ型試驗(yàn)件在21.5 t載荷下平均裂紋萌生壽命約占平均斷裂壽命的91%，故17#試驗(yàn)件在21.5 t載荷下的剩余裂紋萌生壽命約為4 037循環(huán)。由表3中試驗(yàn)結(jié)果可知，Ⅰ型試驗(yàn)件在16.5 t、19.5 t和21.5 t載荷下的平均裂紋萌生壽命，分別為81 195、47 595、37 250次循環(huán)。按疲勞損傷的線性累積法則（Miner法則，式（6）計(jì)算，17#試驗(yàn)件的累積損傷為1.275，與線性累積法則相差27.5%，誤差較大。考慮到試驗(yàn)件數(shù)量較少其壽命的分散性較大，若試驗(yàn)件數(shù)量足夠其誤差將在一合理范圍內(nèi)。因此，可認(rèn)為圓弧形榫連結(jié)構(gòu)低循環(huán)疲勞損傷，基本符合Miner線性累積損傷理論。

6　結(jié)論

利用設(shè)計(jì)的圓弧形榫連結(jié)構(gòu)低循環(huán)疲勞試驗(yàn)件及其夾具，開展了有、無表面強(qiáng)化措施的低循環(huán)疲勞對(duì)比試驗(yàn)研究，獲得了不同載荷水平下的圓弧形榫連結(jié)構(gòu)疲勞（總）壽命和裂紋萌生壽命，擬合得到了可初步用于設(shè)計(jì)的對(duì)應(yīng)裂紋萌生壽命的S - N曲線，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了初步的壽命分析，得到下述結(jié)論：

（1）圓弧形榫連結(jié)構(gòu)低循環(huán)疲勞失效形式，為微動(dòng)磨損導(dǎo)致的疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展；

（2）相同載荷水平下，表面強(qiáng)化試驗(yàn)件的疲勞壽命比未強(qiáng)化試驗(yàn)件的高40%～65%，且載荷水平越低壽命提高得越多；

（3）圓弧形榫連結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件低循環(huán)疲勞損傷基本符合Miner累積損傷理論；

（4）由于本文所開展的低循環(huán)疲勞試驗(yàn)試驗(yàn)件數(shù)量較少，因此誤差較大。工程設(shè)計(jì)中如對(duì)圓弧形榫連結(jié)構(gòu)低循環(huán)疲勞采用Miner法則進(jìn)行損傷累積，有必要增加試驗(yàn)件數(shù)量進(jìn)行更深入的研究。

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Low cycle fatigue experiment and life analysis of curved dovetail assemblies

LI Di1，WANG Yan-rong2，LIAO Lian-fang1，WANG Jia-guang1，WEI Fei-fei1
（1. Design，Research & Development Center，AVIC Commercial Aircraft Engine Co. Ltd.，Shanghai 201108，China；2. School of Energy and Power Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China）

Abstract：Focused on curved dovetail assemblies used in high bypass-ratio turbofan engines，a subscale specimen with curved dovetail root at each end and its related fixture were designed. Low cycle fatigue （LCF）experiments under different load level were carried out，and effects of surface treatment on fatigue properties of specimen were evaluated as well. Fatigue life curves（S-N curve）which can be used at the de?sign stage were obtained. The results indicate that the failure mode of specimens is fatigue fracture induced by fretting wear，and fatigue life of surface-treated specimens increases by 40%～60%compared with those untreated ones under the same load level. The experimental results under different load level agree well with Miner's linear cumulative damage law in the main.

Key words：high bypass-ratio turbofan engine；dovetail assembly；low cycle fatigue；fretting fatigue；surface treatment；Miner's law

中圖分類號(hào)：V231.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-2620（2016）02-0038-05

收稿日期：2015-09-05；修回日期：2015-11-16

作者簡介：李迪（1983-），男，河南南陽人，主管設(shè)計(jì)師，碩士，主要從事壓氣機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。