航空發(fā)動機葉片是發(fā)動機的主要零部件之一，其可靠性關(guān)系到發(fā)動機的性能。由于發(fā)動機葉片往往在高速、高壓氣流等惡劣條件下工作，在復(fù)雜交變載荷的作用下，葉片斷裂故障不可避免。振動疲勞斷裂在葉片故障中占有較大比例，是影響發(fā)動機工作可靠性的主要因素之一。葉片的振動特性決定了葉片工作的安全性、可靠性及使用壽命。

     已有眾多專家學(xué)者基于航空發(fā)動機葉片及材料振動疲勞試驗方法，對葉片振動疲勞性能的準(zhǔn)確預(yù)測和提升進(jìn)行了研究。楊文鑫等在應(yīng)用軟件分析的基礎(chǔ)上，通過在振動試驗系統(tǒng)上對葉片進(jìn)行高應(yīng)力振動試驗，對振動特性進(jìn)行了研究，得到了應(yīng)力與振幅、頻率之間的關(guān)系。朱大巍等將葉片和夾具組合起來進(jìn)行力學(xué)簡化，采用梁模型模擬了葉片及夾具的安裝，獲得夾具的振動放大特性，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)分析，討論了各參數(shù)對夾具振動放大能力的影響。都亞仙等對TiAl低壓渦輪葉片振動疲勞考核后的斷裂情況進(jìn)行分析，為TiAl葉片的設(shè)計改進(jìn)及裝機應(yīng)用提供參考。已有學(xué)者對葉片振動特性及基于航空發(fā)動機葉片和材料振動疲勞試驗方法進(jìn)行了一定的研究。研究人員通過獲取一種轉(zhuǎn)子葉片振動特性和疲勞性能數(shù)據(jù)，采用有限元仿真與試驗相結(jié)合的方式，對該型轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行了振動特性分析和疲勞試驗，結(jié)果可為該型轉(zhuǎn)子葉片的研制提供疲勞性能數(shù)據(jù)支撐。

1、試驗方法

     通過理論分析和試驗相結(jié)合的方法獲得葉片振動應(yīng)力最大值所在位置。首先針對試驗件建立有限元模型，采用模態(tài)分析方法獲得試驗?zāi)B(tài)下的應(yīng)力分布。采用全場掃描式激光測振儀測量葉片1階振型及前3階固有頻率；采用電動振動臺對單元考核件施加正弦周期激勵，通過幅頻特性曲線獲取葉片固有頻率，用半功率帶寬法計算模態(tài)阻尼比；以振動頻率、振動幅值為自變量，通過線性擬合，確定兩者乘積與考核部位應(yīng)力的函數(shù)關(guān)系；采用電阻應(yīng)變片測量應(yīng)變，用激光位移傳感器測量振幅，對試驗結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定，通過控制振幅間接控制考核部位的振動應(yīng)力。

2、試驗過程

2.1 有限元分析

     分析軟件為ANSYS通用有限元程序，采用6面體8節(jié)點單元建模，單元數(shù)目為12842個，邊界條件為約束試樣夾持端表面節(jié)點全部自由度，對葉片試樣進(jìn)行模態(tài)分析，獲得的葉片一彎振型及應(yīng)力分布如圖1所示。由圖1可知：試樣一彎振型下最大應(yīng)力點位于葉背側(cè)，試樣展向的2/3處，弦線方向的1/2處。計算同時獲得試樣1階固有頻率約為338Hz，2階固有頻率為716Hz，3階固有頻率為824Hz。

2.2 試驗裝夾

     葉片裝夾如圖2所示。夾具外框為口子型，后面配有兩個加強塊，通過6個螺栓與振動臺連接，保證裝夾剛性。由于葉片振動頻率較高，用3排螺釘孔壓緊葉片，葉片榫頭底面配合加工墊片，起到定位的作用，保證每件葉片裝夾試驗狀態(tài)相同。從而保證葉片剛性連接在振動臺上，并避免葉片裝夾時產(chǎn)生應(yīng)力集中。

2.3 疲勞測試

     采用電磁振動臺對葉片進(jìn)行正弦掃頻預(yù)試驗，依據(jù)幅頻特性曲線確定1階共振頻率；以激光位移傳感器監(jiān)控振幅作為控制參數(shù)，采用閉環(huán)控制方法進(jìn)行振動疲勞試驗。

2.3.1 試驗系統(tǒng)

     在室溫條件下，采用閉環(huán)控制方式，實時測量葉片振幅并反饋給振動控制儀，由控制儀根據(jù)反饋信號自動調(diào)整振動臺控制信號的輸出，確保葉片始終在共振狀態(tài)下和規(guī)定振幅下進(jìn)行振動疲勞試驗。

2.3.2 標(biāo)定試驗

      根據(jù)有限元分析結(jié)果，在最大應(yīng)力點位置及附近區(qū)域安裝一組應(yīng)變片，應(yīng)變片尺寸滿足HB 5277—84《發(fā)動機葉片及材料振動疲勞試驗方法》中的規(guī)定，應(yīng)變片共12片。應(yīng)變片安裝時，以最大應(yīng)力點為基準(zhǔn)呈十字形分布，沿著葉片展向安裝8片，第3片安裝在理論最大應(yīng)力處，弦向安裝4片，安裝位置與最大應(yīng)力點平行，左右各2片。試驗過程中，將葉片夾持端水平放置，并固定在振動臺的垂直臺面上。應(yīng)變片安裝模擬圖如圖3所示。

     采用掃頻模式開展試驗，加速度為4.9m/s2，掃頻為330~370Hz。通過幅頻特性曲線確定葉片1階固有頻率，對比1階共振頻率下各應(yīng)變片測量數(shù)據(jù)，找出最大應(yīng)變幅值的應(yīng)變片，該應(yīng)變片所在位置即為葉片考核部位。

     采用電動振動臺激勵試樣，頻率為葉片1階固有頻率，逐級提高激振加速度，記錄考核部位在4個應(yīng)力水平下對應(yīng)的葉尖振幅及應(yīng)變幅值，表1為標(biāo)定試驗數(shù)據(jù)，編號為4號的應(yīng)變片測量的應(yīng)變幅值最大，與理論分析結(jié)果一致。

      根據(jù)表1中4號應(yīng)變片（考核部位）數(shù)據(jù)，并結(jié)合式（1）獲得振動應(yīng)力幅值與監(jiān)控點振幅數(shù)據(jù)，根據(jù)式（2）線性擬合應(yīng)變幅值與監(jiān)控點振幅，兩者間的關(guān)系如式（3）所示。

     式中：Δσ/2為振動應(yīng)力幅值，單位為MPa；A為振幅，單位為mm；E為彈性模量；a、b為常數(shù)；Δε為振動應(yīng)變幅值。

     線性相關(guān)系數(shù)R2=0.9999，表明兩者具有較好的線性度。

3、 試驗結(jié)果

3.1 振動特性結(jié)果

     通過使用振動臺輸出激勵的方法測量了葉片常溫下的3階頻率，并采用半功率帶寬法計算了對應(yīng)的阻尼比，結(jié)果如表2所示。采用非接觸式激光測振儀進(jìn)行試驗，用單點激勵、多點響應(yīng)的方式，得到葉片1階實測振型（見圖4）。

     由以上結(jié)果可知，葉片的理論和實測固有頻率相近，振型一致。1階固有頻率理論和實測固有頻率偏差不超過1.57%，2階固有頻率理論和實測固有頻率偏差不超過0.71%，3階固有頻率理論和實測固有頻率偏差不超過-1.18%。

3.2 疲勞強度測試結(jié)果

     根據(jù)應(yīng)變-振幅兩者擬合公式計算試驗應(yīng)力水平下監(jiān)控點的振幅。采用閉環(huán)控制方式，實時測量葉片振幅并反饋給振動控制儀，由控制儀根據(jù)反饋信號，自動調(diào)整對振動臺控制信號的輸出，確保葉片始終在共振狀態(tài)下和規(guī)定振幅下進(jìn)行測試。當(dāng)葉片振動頻率下降超過1%時，終止試驗，記錄試驗數(shù)據(jù)。采用應(yīng)力升降法對10件葉片進(jìn)行振動疲勞試驗，試驗結(jié)果如表3所示。

4、 結(jié)論

     （1）葉片的理論和實測固有頻率相近，振型一致。1階固有頻率理論和實測值偏差不超過1.57%，2階固有頻率理論和實測值偏差不超過0.71%，3階固有頻率理論和實測值偏差不超過-1.18%。

    （2）根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果在葉片應(yīng)力極值位置及附近區(qū)域安裝應(yīng)變片，以應(yīng)變數(shù)值最大的應(yīng)變片進(jìn)行線性度標(biāo)定，線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9999，試驗中采用控制振幅的方法能夠間接、有效地控制考核部位的應(yīng)力水平。

    （3）在正弦駐留試驗?zāi)Ｊ较?，保證控制通道的激光位移傳感器監(jiān)控位置一致，采用應(yīng)力升降法對10件葉片進(jìn)行了振動疲勞試驗，獲取了該型葉片的疲勞性能。

作者：吳瓊 1，鄧瑛 1，鄧武警 1，2，3，何斌策1

單位：1. 中國航空制造技術(shù)研究院；

2.塑性成形技術(shù)航空科技重點實驗室；

3. 數(shù)字化塑性成形技術(shù)與裝備北京市重點實驗室

來源：《理化檢驗-物理分冊》2024年第10期