圓弧形榫連結(jié)構(gòu)高/低循環(huán)疲勞試驗(yàn)研究

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，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)高/低循環(huán)疲勞試驗(yàn)研究

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，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)風(fēng)扇葉/盤榫連結(jié)構(gòu)，提出了縮比為1:2.5的圓弧形榫連結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)方案，分別設(shè)計(jì)了高、低循環(huán)疲勞試驗(yàn)件及其夾具，并進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證。為了簡(jiǎn)化試驗(yàn)，低循環(huán)疲勞試驗(yàn)采用拉-拉循環(huán)加載試驗(yàn)方案，高循環(huán)疲勞試驗(yàn)則通過(guò)測(cè)定試驗(yàn)件1階彎曲振型下的疲勞極限來(lái)實(shí)現(xiàn)。在低循環(huán)疲勞試驗(yàn)中，試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)的裂紋萌生壽命遠(yuǎn)大于60000次循環(huán)，具備足夠的抗低循環(huán)疲勞能力；在高循環(huán)疲勞試驗(yàn)中，試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)目標(biāo)為207 MPa下通過(guò)了3×107循環(huán)的疲勞壽命考核。結(jié)果表明：圓弧形榫連結(jié)構(gòu)的高、低循環(huán)疲勞試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)合理，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)；所設(shè)計(jì)的圓弧形榫連結(jié)構(gòu)具有良好的抗疲勞性能，滿足大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命設(shè)計(jì)目標(biāo)；失效形式為由微動(dòng)磨損引起的疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展。

關(guān)鍵詞：圓弧形榫連結(jié)構(gòu)；低循環(huán)疲勞；高循環(huán)疲勞；微動(dòng)磨損；風(fēng)扇葉/盤；大涵道比；渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)

引用格式：李迪，王延榮，廖連芳，等.圓弧形榫連結(jié)構(gòu)高/低循環(huán)疲勞試驗(yàn)研究[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2016,42（3）：61-66.LI Di,WANG Yanrong,LIAO Lianfang, et al.Investination of high and low cycle fatigue experiment for a curved dovetail assembly[J].Aeroengine,2016,42(3):61-66.

0　引言

圓弧形榫連結(jié)構(gòu)是目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉/盤廣泛采用的連接形式，RB211、Trent1000、CFM56-7等發(fā)動(dòng)機(jī)都采用了這種新穎結(jié)構(gòu)。圓弧形榫連結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有助于減小輪緣的直徑，但增加了榫頭/榫槽的加工難度?？傮w來(lái)說(shuō)，圓弧形榫連結(jié)構(gòu)已經(jīng)成功地應(yīng)用于國(guó)外先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)上。

榫連結(jié)構(gòu)在葉片的離心載荷（低循環(huán)疲勞）和振動(dòng)（高循環(huán)疲勞）作用下，接觸面受力復(fù)雜，使微動(dòng)疲勞成為其主要的失效模式[1-4]。針對(duì)榫連結(jié)構(gòu)已公開(kāi)的應(yīng)用研究工作主要集中在平直型榫連結(jié)構(gòu)上，采用數(shù)值模擬方法對(duì)榫連結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究[5-11]，對(duì)比分析了不同接觸面構(gòu)型對(duì)接觸區(qū)應(yīng)力的影響，同時(shí)也在微動(dòng)失效機(jī)理方面進(jìn)行了研究[12-14]。在試驗(yàn)研究方面，國(guó)外不僅開(kāi)展了大量有針對(duì)性的榫連結(jié)構(gòu)模擬件試驗(yàn)[15-17]，也對(duì)平直型燕尾榫連結(jié)構(gòu)在高/低循環(huán)復(fù)合載荷作用下的疲勞問(wèn)題進(jìn)行了研究[18-19]，并基于數(shù)值分析和試驗(yàn)結(jié)果建立了壽命預(yù)測(cè)模型。

而對(duì)于圓弧形榫連結(jié)構(gòu)的疲勞試驗(yàn)設(shè)計(jì)和研究，目前國(guó)內(nèi)外公開(kāi)的研究成果未見(jiàn)報(bào)道。圓弧形榫連結(jié)構(gòu)的接觸面為圓弧形，在葉片載荷作用下接觸面應(yīng)力分布更趨復(fù)雜，更容易產(chǎn)生微動(dòng)疲勞，因此亟需對(duì)其開(kāi)展疲勞研究。

為開(kāi)發(fā)1套合理有效的圓弧形榫連結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)方法，本文通過(guò)數(shù)值模擬方法給出了圓弧形榫連結(jié)構(gòu)的應(yīng)力特征，并設(shè)計(jì)了拉-拉低循環(huán)疲勞試驗(yàn)件及其試驗(yàn)夾具；設(shè)計(jì)了彎曲振型下的高循環(huán)疲勞試驗(yàn)件與試驗(yàn)夾具，并重點(diǎn)考查了葉片長(zhǎng)度和預(yù)緊力對(duì)榫頭振動(dòng)試驗(yàn)的影響；分別開(kāi)展了圓弧形榫連結(jié)構(gòu)的高、低循環(huán)疲勞試驗(yàn)，并對(duì)所提出的試驗(yàn)方案進(jìn)行了驗(yàn)證分析。

1　研究對(duì)象

本文研究的對(duì)象為某大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片/盤的圓弧型燕尾榫連接結(jié)構(gòu)，其低循環(huán)疲勞設(shè)計(jì)目標(biāo)為15000個(gè)起落的飛行任務(wù)循環(huán)，高循環(huán)疲勞設(shè)計(jì)目標(biāo)為1×109次循環(huán)。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/盤之間采用軸向圓弧形燕尾榫連結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 風(fēng)扇葉片/盤模型

2　低循環(huán)疲勞試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

15000個(gè)起落的飛行任務(wù)循環(huán)相當(dāng)于30000個(gè)基準(zhǔn)循環(huán)，因而風(fēng)扇葉片/盤的圓弧形榫連接結(jié)構(gòu)需通過(guò)60000次循環(huán)的疲勞試驗(yàn)考核。針對(duì)該目標(biāo)，設(shè)計(jì)了1套圓弧形榫連結(jié)構(gòu)低循環(huán)疲勞試驗(yàn)裝置，包括試驗(yàn)件及相應(yīng)的試驗(yàn)夾具，以考查該圓弧榫連結(jié)構(gòu)的疲勞性能。

所研究的鈦合金寬弦風(fēng)扇葉片（含圓弧形榫頭）最大狀態(tài)的總離心負(fù)荷約為90 t，考慮到國(guó)內(nèi)試驗(yàn)機(jī)的加載限制，采用了縮比等效設(shè)計(jì)的方法，其原則是通過(guò)幾何縮比和載荷縮比來(lái)保證圓弧形榫連結(jié)構(gòu)在縮比前后應(yīng)力大小和分布規(guī)律相似。為保證縮比后的榫連結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與鈦合金風(fēng)扇葉片/盤的相似，本文取1∶2.5的幾何縮比，對(duì)應(yīng)的載荷縮比系數(shù)為1∶6.25，則離心載荷由90 t縮比為14.4 t，考慮到縮比帶來(lái)的尺寸效應(yīng)系數(shù)為1.04，則將縮比后的榫連結(jié)構(gòu)承受的拉伸載荷（15 t）作為100%載荷模擬葉片的最大離心負(fù)荷。

為簡(jiǎn)化試驗(yàn)，暫不考慮溫度載荷，并假定葉片的離心彎矩與氣動(dòng)彎矩相抵消，僅考慮葉片離心載荷的徑向分量，則圓弧形榫連結(jié)構(gòu)的低循環(huán)疲勞試驗(yàn)可簡(jiǎn)化為拉-拉循環(huán)加載的疲勞試驗(yàn)。所設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置如圖2所示。其中雙榫頭試驗(yàn)件為直“葉身”連接兩端的圓弧形燕尾榫頭；夾具中的榫槽通過(guò)銷釘與試驗(yàn)機(jī)耳片相連以施加載荷；兩端連接銷釘采用90°交錯(cuò)的設(shè)計(jì)以消除試驗(yàn)中的附加彎矩影響。

為確保夾具能在榫頭試件失效前安全工作，針對(duì)所設(shè)計(jì)的圓弧形榫連結(jié)構(gòu)低循環(huán)疲勞試驗(yàn)方案，在100%載荷（15 t）下進(jìn)行了靜力分析。圓弧榫頭/榫槽鈦合金材料的屈服強(qiáng)度為830 MPa。利用榫頭試件的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，取1/2模型進(jìn)行分析，低循環(huán)疲勞試驗(yàn)裝置有限元模型如圖3所示，計(jì)算結(jié)果如圖4、5所示。其中榫頭的最大等效應(yīng)力為616 MPa，第1主應(yīng)力為564 MPa；榫槽的等效應(yīng)力為499 MPa，第1主應(yīng)力為534 MPa。均滿足靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖2 低循環(huán)疲勞試驗(yàn)裝置

圖3 低循環(huán)疲勞試驗(yàn)裝置有限元模型

由應(yīng)力分析可知，榫頭等效應(yīng)力和第1主應(yīng)力最大值均高于榫槽的，最大應(yīng)力位于榫頭上，即榫頭處應(yīng)首先破壞，但不會(huì)因?yàn)閵A具的破壞而使試驗(yàn)終止，因此該試驗(yàn)件及夾具的結(jié)構(gòu)方案可用于低循環(huán)疲勞試驗(yàn)。

3　高循環(huán)疲勞試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

高循環(huán)疲勞試驗(yàn)的目的是考核圓弧榫頭的疲勞強(qiáng)度是否滿足高循環(huán)疲勞設(shè)計(jì)要求，有效位置是榫頭的接觸面過(guò)渡圓角處和接觸區(qū)域上邊緣。試驗(yàn)件縮比等效設(shè)計(jì)的原則與低循環(huán)疲勞試驗(yàn)的相同，即通過(guò)幾何縮比和載荷縮比來(lái)保證圓弧形榫連結(jié)構(gòu)在縮比前后靜應(yīng)力大小和分布規(guī)律相似，且考慮了由縮比尺寸效應(yīng)帶來(lái)的4%的高循環(huán)疲勞強(qiáng)度增量，即縮比系數(shù)為1.04。

圖4 等效應(yīng)力分布

圖5 第1主應(yīng)力分布

鈦合金風(fēng)扇葉片/盤的高循環(huán)疲勞設(shè)計(jì)目標(biāo)為1×109次循環(huán)，接近于“無(wú)限”壽命，因而圓弧形榫連結(jié)構(gòu)需滿足“無(wú)限”壽命的高循環(huán)疲勞壽命設(shè)計(jì)目標(biāo)。鑒于振動(dòng)疲勞試驗(yàn)周期長(zhǎng)、耗費(fèi)高，如50 Hz的葉片頻率需要5555.6 h才能完成1個(gè)葉片的試驗(yàn)，通常將3×107次循環(huán)作為考核低頻（小于200 Hz）航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件（含試驗(yàn)?zāi)M件）具備“無(wú)限”壽命的“基準(zhǔn)”。因此，圓弧形榫連結(jié)構(gòu)高循環(huán)疲勞試驗(yàn)旨在完成3×107次的循環(huán)振動(dòng)疲勞。鑒于在循環(huán)數(shù)由3×107增加到1×109的過(guò)程中鈦合金疲勞強(qiáng)度仍會(huì)降低，考慮6%的疲勞強(qiáng)度增量，取比例系數(shù)為1.06。疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)鈦合金寬弦風(fēng)扇葉片/盤在最大狀態(tài)下的靜應(yīng)力和許用振動(dòng)應(yīng)力為基準(zhǔn)，可通過(guò)Goodman曲線確定。鈦合金寬弦風(fēng)扇葉/盤的有限元模型如圖6所示，計(jì)算得到榫頭局部徑向應(yīng)力分布如圖7所示。在最大工作狀態(tài)下，圓弧形榫連結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力區(qū)位于榫頭工作面和榫頭與葉身的過(guò)渡圓角處，最大徑向應(yīng)力為375 MPa，取103 MPa作為許用振動(dòng)應(yīng)力，圓弧榫頭的疲勞強(qiáng)度需不小于188 MPa?？紤]縮比帶來(lái)的尺寸效應(yīng)系數(shù)1.04和循環(huán)數(shù)減少帶來(lái)的比例效應(yīng)系數(shù)1.06，可知3×107循環(huán)數(shù)下縮比圓弧榫頭的疲勞強(qiáng)度需不小于207 MPa。

圖6 風(fēng)扇葉片/盤有限元模型

圖7 局部徑向應(yīng)力分布

為簡(jiǎn)化高循環(huán)疲勞試驗(yàn)過(guò)程，不考慮溫度載荷和離心載荷，試驗(yàn)中僅模擬由氣流激勵(lì)引起的振動(dòng)應(yīng)力的作用。

圖8 高循環(huán)疲勞試驗(yàn)裝置

高循環(huán)疲勞試驗(yàn)件采用由直“葉身”一端帶單榫頭的結(jié)構(gòu)方案，其榫槽在結(jié)構(gòu)形式上與低循環(huán)疲勞試驗(yàn)的相近。試驗(yàn)裝置與振動(dòng)臺(tái)的連接形式如圖8所示。試件與夾具之間通過(guò)螺釘和1塊平板預(yù)緊，以避免試件底部壓力過(guò)大。為了避免螺釘?shù)念A(yù)緊力產(chǎn)生附加彎矩，在夾具的設(shè)計(jì)過(guò)程中要保證榫頭的重心投影在夾具的形心上。

由于榫頭上直“葉身”的長(zhǎng)度影響試件的固有振動(dòng)頻率，而試驗(yàn)應(yīng)力大小和時(shí)間長(zhǎng)短又與試件的固有振動(dòng)特性密切相關(guān)，試驗(yàn)加載的頻率越高，振幅就越小，試件的振動(dòng)應(yīng)力幅值也就越小；頻率過(guò)低，試驗(yàn)的時(shí)間就會(huì)很長(zhǎng)。因此，直“葉身”的長(zhǎng)度成為振動(dòng)疲勞試驗(yàn)的1個(gè)關(guān)鍵因素，同時(shí)預(yù)緊力帶來(lái)的預(yù)應(yīng)力剛度也會(huì)在一定程度上影響試驗(yàn)件的固有振動(dòng)頻率。

首先考查葉身長(zhǎng)度和預(yù)緊力對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的影響，取葉身長(zhǎng)度分別為160、180、200 mm，預(yù)緊力為25、50、100 MPa，進(jìn)行含預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析，不同試件長(zhǎng)度和預(yù)緊力下的第1階頻率見(jiàn)表1。從表中可見(jiàn)，預(yù)緊力對(duì)試件頻率影響較小，故試驗(yàn)時(shí)只需保證試驗(yàn)裝置夾緊即可；試驗(yàn)件長(zhǎng)度對(duì)試件頻率影響很大。考慮到振動(dòng)臺(tái)的加載能力和試驗(yàn)周期，試驗(yàn)方案選用直“葉身”長(zhǎng)度為200mm、預(yù)緊力為50 MPa，其1彎振動(dòng)頻率為259.67 Hz，其振型如圖9所示。

表1 不同葉身長(zhǎng)度和預(yù)緊力下的第1階頻率

圖9 1階彎曲振型

為了分析榫頭試驗(yàn)件考核位置的合理性，對(duì)試件進(jìn)行諧響應(yīng)分析，計(jì)算結(jié)果如圖10所示。應(yīng)力集中區(qū)域位于榫頭接觸面的過(guò)渡圓角處和接觸區(qū)域上邊緣，與高循環(huán)疲勞試驗(yàn)的考核區(qū)域相符。

圖10 榫頭振動(dòng)應(yīng)力分布

4　低循環(huán)疲勞試驗(yàn)方案驗(yàn)證

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，榫連結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件及夾具為3套。試驗(yàn)載荷譜采用梯形波，如圖11所示。其中，加載時(shí)間Δt1=2s，峰值保載時(shí)間Δt2=2s，卸載時(shí)間Δt3=2s，谷值保載時(shí)間Δt4=0.5s，得到低循環(huán)疲勞試驗(yàn)的單個(gè)循環(huán)時(shí)間為6.5s；谷值載荷為峰值的1/16。在試驗(yàn)方案的驗(yàn)證中，考慮到由縮比帶來(lái)的尺寸效應(yīng)和試驗(yàn)誤差，將峰值載荷在100%載荷（15 t）的基礎(chǔ)上提高10%，即在最大載荷為16.5t下完成了低循環(huán)疲勞試驗(yàn)，目標(biāo)循環(huán)數(shù)為60000。

試驗(yàn)件裝配、試驗(yàn)設(shè)備和儀器如圖12所示。試驗(yàn)步驟如下：在榫頭試件表面兩側(cè)相同位置貼應(yīng)變片；在榫頭、榫槽工作面均勻地涂潤(rùn)滑劑（二硫化鉬），裝配圓弧榫頭與榫槽；將低循環(huán)疲勞試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)機(jī)裝配連接；將榫頭試件上各應(yīng)變片與應(yīng)變測(cè)量?jī)x按對(duì)應(yīng)通道連接，并進(jìn)行彎曲程度檢測(cè)，使彎曲百分比符合HB5287-1996試驗(yàn)要求后開(kāi)始試驗(yàn)；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(kāi)始試驗(yàn)。

圖11 低循環(huán)疲勞試驗(yàn)載荷譜

圖12 試驗(yàn)件裝配設(shè)備和儀器

試驗(yàn)后，對(duì)試驗(yàn)件與夾具進(jìn)行了分解檢查，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)后裂紋均出現(xiàn)在榫頭接觸面上。1#試驗(yàn)件裂紋長(zhǎng)度約為61 mm，位于榫頭葉盆一側(cè)下接觸面，如圖13所示。從圖中可見(jiàn)，榫頭與榫槽接觸面均有明顯磨痕，結(jié)合有限元分析結(jié)果可判定該榫頭的疲勞失效過(guò)程為由微動(dòng)磨損引起的裂紋萌生與擴(kuò)展。

圖13 1#試驗(yàn)件榫頭/榫槽表面磨損

表2 低循環(huán)疲勞試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。峰值載荷為16.5 t下的3件試驗(yàn)件斷裂壽命均超過(guò)60000次循環(huán)。鑒于轉(zhuǎn)動(dòng)件通常以裂紋萌生壽命為考核指標(biāo)，為考查圓弧榫頭的裂紋萌生壽命，針對(duì)3#試驗(yàn)件，采用了分階段加載的方法。在超過(guò)設(shè)計(jì)目標(biāo)60612次循環(huán)后，試驗(yàn)件無(wú)損傷；將載荷提高到19.5 t載荷進(jìn)行了第2階段試驗(yàn)，又完成了20001次循環(huán)后，試驗(yàn)件仍無(wú)損傷；將載荷提高到21.5 t進(jìn)行了第3階段試驗(yàn)，經(jīng)4436次循環(huán)后在榫頭葉背側(cè)上、下接觸面均出現(xiàn)裂紋，如圖14所示。該圓弧形榫連結(jié)構(gòu)裂紋萌生壽命遠(yuǎn)大于60000次循環(huán)，具備足夠的抗低循環(huán)疲勞能力，表明所設(shè)計(jì)的低循環(huán)疲勞試驗(yàn)裝置可行，且圓弧形榫連結(jié)構(gòu)低循環(huán)疲勞壽命滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，可用于大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片/盤實(shí)際結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

圖14 3#試驗(yàn)件疲勞失效裂紋

5　高循環(huán)疲勞試驗(yàn)方案驗(yàn)證及分析

高循環(huán)疲勞試驗(yàn)在2 t振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行。鑒于試驗(yàn)件數(shù)較少，從時(shí)間和成本考慮，疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)目標(biāo)以中值疲勞強(qiáng)度σ-1進(jìn)行考核。試驗(yàn)采用升降法加載，以獲取目標(biāo)循環(huán)數(shù)為3×107的中值疲勞強(qiáng)度σ-1。振動(dòng)疲勞試驗(yàn)按照HB5277規(guī)定進(jìn)行，在振動(dòng)臺(tái)上對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行1階彎曲振型的振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試系統(tǒng)如圖15所示，試驗(yàn)裝置裝配如圖16所示。

圖15 試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試系統(tǒng)

圖16 試驗(yàn)裝置裝配

試驗(yàn)步驟如下：振動(dòng)疲勞試驗(yàn)開(kāi)始前，在榫頭、榫槽工作面均勻地涂潤(rùn)滑劑（二硫化鉬），裝配圓弧榫頭與榫槽，并通過(guò)螺栓施加預(yù)緊力，完成榫頭試驗(yàn)件與夾具的裝配；試驗(yàn)裝置與振動(dòng)臺(tái)通過(guò)轉(zhuǎn)接段進(jìn)行連接，通過(guò)連接螺栓進(jìn)行緊固；開(kāi)展振動(dòng)特性試驗(yàn)和應(yīng)力分布測(cè)試，獲取1彎振型頻率和最大振動(dòng)應(yīng)力點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上完成應(yīng)力振幅標(biāo)定；按照升降法的要求對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，確定其疲勞極限。

圖17 4#試驗(yàn)件榫頭/榫槽表面磨損

試驗(yàn)后，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行了分解檢查，發(fā)現(xiàn)裂紋均出現(xiàn)在榫頭接觸面及榫頭與葉身過(guò)渡圓角區(qū)域，且榫頭與榫槽接觸面有明顯磨痕，如圖17所示。振動(dòng)疲勞試驗(yàn)的應(yīng)力水平為4級(jí)，級(jí)差為5%，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。根據(jù)升降法進(jìn)行數(shù)據(jù)配對(duì)，如圖18所示，共5對(duì)。按升降法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，由式（1）～（3）計(jì)算得到中值疲勞強(qiáng)度σ-1=207 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差S*=8.3666，離差系數(shù)Cv=0.04020。參考HB/Z 112-86《材料疲勞試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析方法》可知：當(dāng)置信度取90%，誤差限度取5%時(shí)，試驗(yàn)樣本數(shù)滿足最小觀測(cè)值個(gè)數(shù)要求。表明圓弧形榫連結(jié)構(gòu)高循環(huán)疲勞試驗(yàn)方案在設(shè)計(jì)目標(biāo)為207 MPa下通過(guò)了3×107循環(huán)的疲勞壽命考核，試驗(yàn)裝置可行，可用于大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金風(fēng)扇葉片/盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

表3 低循環(huán)疲勞試驗(yàn)結(jié)果

圖18 有效樣本閉合式升降法

6　結(jié)論

針對(duì)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了圓弧形榫連結(jié)構(gòu)高、低循環(huán)疲勞試驗(yàn)方案和裝置，并對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證和分析，得到以下結(jié)論：

（1）建立了1套合理可行的圓弧形榫連結(jié)構(gòu)高、低循環(huán)疲勞試驗(yàn)方案和試驗(yàn)裝置；

（2）開(kāi)發(fā)了1套有效的圓弧形榫連結(jié)構(gòu)高、低循環(huán)疲勞試驗(yàn)方法，可用于指導(dǎo)后續(xù)圓弧形榫連結(jié)構(gòu)試驗(yàn)工作；

（3）圓弧形榫連結(jié)構(gòu)疲勞壽命達(dá)到了預(yù)期疲勞設(shè)計(jì)目標(biāo)，可應(yīng)用于大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金風(fēng)扇葉片/盤圓弧形榫連結(jié)構(gòu)；

（4）斷口分析表明，圓弧形榫連結(jié)構(gòu)高、低循環(huán)疲勞失效形式為由微動(dòng)磨損導(dǎo)致的疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展。

需要說(shuō)明的是：低循環(huán)疲勞試驗(yàn)件的數(shù)量較少，僅獲取了設(shè)計(jì)載荷（16.5 t）下的壽命數(shù)據(jù)，后續(xù)有必要增加試樣數(shù)量，以獲取更加精確的壽命曲線；同時(shí)為了提高結(jié)構(gòu)的使用壽命，后續(xù)研究可考慮進(jìn)行表面強(qiáng)化工藝的影響。

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（編輯：栗樞）

Investigation of High and Low Cycle Fatigue Experiment for a Curved Dovetail Assembly

LIDi1，WANG Yan-rong2，LIAO Lian-fang1，WANG Jia-guang1，WEI Fei-fei1
（1.AVIC Commercial Aircraft Engine Co.,Ltd.，Shanghai 201108，China；2.School of Energy and Power Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China）

Abstract:Focused on curved dovetail assemblies used in high bypass-ratio turbofan engines,a design concept with scale-reduced ratio of 1:2.5 for curved dovetail assemblies was proposed,in which both HCF and LCF specimens and its corresponding experimental fixtures were designed and machined to carry out the verification tests.In order to simplify the tests,tensile-tensile cyclic loading tests were conducted to evaluate the LCF properties and bymeasuring1 stage curve vibration of the specimen,the fatigue limit was achieved in HCF tests.During LCF tests,the specimen had adequate capability of LCF resistance thatthe crack initiation life was farmore than 60000 cycles,while the specimen passed the test of 3×107cycles under stress level of 207MPa in HCF tests.The results indicate that the presented experimental concept is sof easible that achievies the design goals,and the curved dovetail assemblies,in which the failure mode of fatigue crack initiation and growth induced by fretting wear,are capable of meeting the requirement of high anti-fatigue properties for high bypass-ratio turbofan engines.

Key words:curved dovetail assembly；HCF；LCF；fretting wear；fan blade/plate；high bypass-ratio；turbofan engine

中圖分類號(hào)：V231.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.03.012

收稿日期：2015-09-01

作者簡(jiǎn)介：李迪（1983），男，主要從事渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證工作；E-mail：lidi831616@163.com。