風(fēng)扇葉片凸肩工作面裂紋起始原因分析

張海洋，曹 航，李 洋，王繼業(yè)，邵 帥

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng)110015）

0 引言

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片凸肩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要從減小氣動(dòng)影響[1-2]和保證干摩擦減振效果[3-13]兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，而對(duì)其本身的強(qiáng)度設(shè)計(jì)研究較少。但在實(shí)際使用過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)凸肩工作面表面耐磨層掉渣等現(xiàn)象，甚至在工作面上發(fā)現(xiàn)了裂紋。對(duì)某型風(fēng)扇葉片工作后分解檢查發(fā)現(xiàn)，風(fēng)扇葉片盆側(cè)凸肩工作面存在長(zhǎng)約3mm的裂紋，位于凸肩工作面尖部位置，并向上、下端面延伸一定距離。

本文對(duì)凸肩工作面上出現(xiàn)的裂紋進(jìn)行了裂紋斷口分析。通過(guò)工作狀態(tài)下凸肩工作面接觸分析，確定了凸肩工作面擠壓應(yīng)力分布和變形錯(cuò)位規(guī)律，并分析了工作面初始裝配錯(cuò)位和工作面邊緣倒角等裝配與加工因素對(duì)擠壓應(yīng)力分布的影響，最后找到了初始裂紋產(chǎn)生原因。

1 裂紋形貌和斷口分析檢查

凸肩工作面裂紋形貌如圖1所示。裂紋位于葉片葉盆側(cè)凸肩耐磨層部位，靠近凸肩尖部，向上、下端面延伸一定距離。根據(jù)斷口分析，該裂紋為疲勞裂紋，起源于靠近凸肩下表面轉(zhuǎn)接區(qū)的凸肩工作面，如圖2中箭頭所指位置。

圖1 凸肩工作面裂紋形貌

圖2 裂紋斷口宏觀形貌

在裂紋起始位置附近對(duì)凸肩工作面進(jìn)行電鏡檢查，耐磨涂層檢查結(jié)果如圖3所示。從圖中可見(jiàn)，在裂紋起始位置，凸肩工作面表面耐磨層呈現(xiàn)多條微裂紋，表明在工作過(guò)程中受到較大的擠壓磨蹭應(yīng)力。而在遠(yuǎn)離裂紋起始位置的耐磨涂層檢查結(jié)果顯示表面無(wú)微裂紋，如圖4所示。

圖3 裂紋起源附近凸肩工作面電鏡檢查

圖4 遠(yuǎn)離裂紋起源附近凸肩工作面電鏡檢查

對(duì)出現(xiàn)裂紋的凸肩工作面進(jìn)行表面磨痕檢查，盆側(cè)凸肩（存在裂紋）及與其配合的背側(cè)凸肩工作面表面磨痕分別如圖5、6所示。從圖中可見(jiàn)，凸肩工作面尖部均為磨損較輕區(qū)域，葉盆、葉背側(cè)凸肩工作面分別靠近上、下表面轉(zhuǎn)接區(qū)域大部分都為磨損較輕區(qū)域。

圖5 出現(xiàn)裂紋盆側(cè)凸肩工作面磨痕

圖6 配合的背側(cè)凸肩工作面磨痕

同時(shí)，出現(xiàn)裂紋的盆側(cè)凸肩工作面磨痕表明存在初始裝配錯(cuò)位；并且出現(xiàn)裂紋的凸肩工作面邊緣倒角非常小(如圖2中工作面與上表面交接部位倒角)，小于設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，根據(jù)裂紋形貌以及斷口分析檢查得出：

（1）裂紋為疲勞裂紋，起源于靠近凸肩下表面轉(zhuǎn)接區(qū)的凸肩工作面，且此處無(wú)明顯的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)缺陷；

（2）在裂紋起源位置附近發(fā)現(xiàn)耐磨層表面存在較大的擠壓磨蹭應(yīng)力導(dǎo)致的微裂紋；

（3）凸肩工作面存在工作中變形錯(cuò)位現(xiàn)象；

（4）存在初始裝配錯(cuò)位；

（5）邊緣倒角較小。

根據(jù)檢查結(jié)果，推測(cè)裂紋產(chǎn)生原因?yàn)槿~片工作后，凸肩工作面發(fā)生變形錯(cuò)位，在裂紋起始位置出現(xiàn)較大的擠壓應(yīng)力集中[14-15]；同時(shí)工作面的初始裝配錯(cuò)位和邊緣倒角較小等加工裝配因素加劇了擠壓應(yīng)力集中程度，使裂紋起源部位耐磨層出現(xiàn)微裂紋，擴(kuò)展形成裂紋。

2 凸肩工作面接觸模型的建立

推測(cè)裂紋產(chǎn)生與凸肩工作面擠壓應(yīng)力集中有關(guān)，因此需要建立風(fēng)扇凸肩工作面接觸計(jì)算模型，分析工作狀態(tài)凸肩工作面擠壓應(yīng)力分布情況。

為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，基于ANSYS平臺(tái)進(jìn)行凸肩工作面接觸計(jì)算，建立簡(jiǎn)化的凸肩工作面接觸模型[16-18]。首先，假設(shè)整圈風(fēng)扇葉片變形一致，建立2個(gè)相鄰風(fēng)扇葉片模型，將配合其凸肩工作面定義為接觸；建立1個(gè)經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)軸線的平面將未定義接觸的一側(cè)風(fēng)扇葉片凸肩切開(kāi)，并要求不能切到工作面和根部倒角；然后，將切割平面繞發(fā)動(dòng)機(jī)軸線旋轉(zhuǎn)360°/N（N 為葉片數(shù)）移動(dòng)到相鄰葉片的相同位置，切開(kāi)凸肩，刪掉兩側(cè)模型，如圖7所示；最后，由于假設(shè)整圈風(fēng)扇葉片變形一致，同時(shí)兩側(cè)的切開(kāi)面為相鄰葉片的同一位置，變形應(yīng)該一致，可以定義3向位移約束，如圖8所示。利用該方法定義的簡(jiǎn)化凸肩工作面接觸模型，可以考慮葉身可加載氣動(dòng)和離心載荷，模擬葉片實(shí)際工作情況；凸肩工作面可設(shè)置接觸參數(shù)，如不同初始緊度、初始接觸狀態(tài)和摩擦系數(shù)等；可考慮不同凸肩工作面模型。

圖7 凸肩工作面接觸計(jì)算模型

圖8 被切開(kāi)面間的3向位移約束

3 凸肩工作面擠壓應(yīng)力分布

3.1 凸肩工作面擠壓應(yīng)力分析

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，考慮風(fēng)扇葉片工作載荷，采用凸肩工作面接觸計(jì)算模型，計(jì)算得到設(shè)計(jì)初始緊度時(shí)凸肩工作面擠壓應(yīng)力分布，如圖9所示，平均和最大擠壓應(yīng)力見(jiàn)表1。

圖9 大狀態(tài)常用初始緊度時(shí)凸肩工作面擠壓應(yīng)力分布

表1 凸肩工作面平均擠壓應(yīng)力和最大擠壓應(yīng)力

從圖中可見(jiàn)，擠壓應(yīng)力主要分布在凸肩工作面下側(cè)，上邊緣擠壓應(yīng)力幾乎為0，表明工作中此處不接觸，可能出現(xiàn)了變形錯(cuò)位；在長(zhǎng)軸方向，靠近尖部存在一片大的擠壓應(yīng)力分布，而在根部工作面擠壓應(yīng)力較均勻且很小，因此，在長(zhǎng)軸方向也存在變形錯(cuò)位；從整個(gè)工作面擠壓應(yīng)力分布分析，整個(gè)工作面存在長(zhǎng)、短軸上的變形錯(cuò)位，導(dǎo)致整個(gè)工作面接觸不均勻，主要在凸肩尖部和下側(cè)接觸，在尖部下側(cè)區(qū)域形成大的擠壓應(yīng)力區(qū)域，在靠近裂紋起始位置的下側(cè)尖部位置形成擠壓應(yīng)力集中。根據(jù)工作面擠壓應(yīng)力分析，得出凸肩工作面呈現(xiàn)接觸不均勻現(xiàn)象，主要在盆側(cè)凸肩下側(cè)靠近尖部接觸，與凸肩工作面磨痕分析結(jié)果吻合；裂紋起始部位存在擠壓應(yīng)力集中。

3.2 工作狀態(tài)凸肩工作面變形分析

根據(jù)凸肩工作面接觸計(jì)算，得到工作狀態(tài)凸肩工作面相互位移變形，如圖10所示；采用凸肩局部坐標(biāo)系，如圖11所示；得到凸肩工作面盆側(cè)凸肩位移見(jiàn)表2。

圖10 工作狀態(tài)凸肩相互變形錯(cuò)位(藍(lán)色為背側(cè)凸肩工作面，彩色為盆側(cè)裂紋凸肩工作面)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在工作狀態(tài)下，由于葉片受到的工作載荷和凸肩的初始緊度作用下，凸肩會(huì)在長(zhǎng)、短軸方向都發(fā)生錯(cuò)位變形，具體表現(xiàn)為：

圖11 凸肩局部坐標(biāo)系

表2 凸肩工作面盆側(cè)凸肩位移 mm

（1）凸肩長(zhǎng)軸方向發(fā)生盆側(cè)凸肩尖部變形錯(cuò)位突出，會(huì)導(dǎo)致盆側(cè)凸肩尖部不發(fā)生接觸，磨痕較輕，與工作面磨痕檢查結(jié)果一致；

（2）凸肩短軸方向發(fā)生盆側(cè)凸肩上側(cè)變形錯(cuò)位突出，會(huì)導(dǎo)致其工作面上側(cè)不發(fā)生接觸，磨痕較輕，與工作面磨痕檢查結(jié)果一致；

（3）由于凸肩長(zhǎng)、短軸方向的位移，導(dǎo)致凸肩主要在盆側(cè)凸肩下側(cè)靠近尖部接觸，靠近裂紋起始位置出現(xiàn)擠壓應(yīng)力集中。

4 凸肩初始裝配錯(cuò)位影響

斷口分析檢查表明裂紋的凸肩工作面存在初始裝配錯(cuò)位。根據(jù)磨痕得到錯(cuò)位方式和尺寸，建立凸肩工作面接觸模型，如圖12所示。計(jì)算得到初始裝配錯(cuò)位情況下的凸肩工作面擠壓應(yīng)力分布，如圖13所示。錯(cuò)位和未錯(cuò)位時(shí)出現(xiàn)裂紋凸肩工作面擠壓應(yīng)力對(duì)比見(jiàn)表3。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，由于初始裝配的錯(cuò)位，使工作面的整個(gè)軸向錯(cuò)位變形更加嚴(yán)重，導(dǎo)致工作面擠壓應(yīng)力發(fā)生變化，工作面上部分都不接觸；同時(shí)由于軸向錯(cuò)位加劇，擠壓應(yīng)力集中程度增加。

圖12 錯(cuò)位模型的凸肩有限元計(jì)算模型

圖13 錯(cuò)位模型的凸肩工作擠壓應(yīng)力分布

表3 初始裝配錯(cuò)位和未錯(cuò)位時(shí)凸肩工作面擠壓應(yīng)力對(duì)比

根據(jù)計(jì)算對(duì)比結(jié)果，凸肩工作面的初始裝配錯(cuò)位進(jìn)一步加劇了裂紋源位置的擠壓應(yīng)力集中，使擠壓應(yīng)力從139MPa增至267MPa，增幅達(dá)到92%。

5 凸肩工作面邊緣倒角影響

由裂紋斷口分析發(fā)現(xiàn)，凸肩工作面與上、下表面的倒角非常小，小于設(shè)計(jì)要求；同時(shí)工作面擠壓應(yīng)力分析表明在工作面下側(cè)邊緣存在擠壓應(yīng)力集中，因此，工作面邊緣倒角可能影響擠壓應(yīng)力的集中程度。

針對(duì)此情況，并考慮檢查發(fā)現(xiàn)的初始裝配錯(cuò)位情況，建立存在初始錯(cuò)位并且無(wú)工作面邊緣倒角情況下的凸肩接觸計(jì)算模型，如圖14所示。根據(jù)模型計(jì)算得到凸肩工作面擠壓應(yīng)力分布如圖15所示，與有倒角情況下凸肩工作面擠壓應(yīng)力對(duì)比見(jiàn)表4。從應(yīng)力分布和擠壓應(yīng)力對(duì)比可見(jiàn)，當(dāng)凸肩工作面邊緣無(wú)倒角時(shí)，最大擠壓應(yīng)力從267MPa增至336MPa，增幅為26%，擠壓應(yīng)力集中程度進(jìn)一步加劇。

圖14 錯(cuò)位并無(wú)倒角模型的凸肩有限元計(jì)算模型

圖15 錯(cuò)位并無(wú)倒角模型的凸肩工作擠壓應(yīng)力分布

根據(jù)計(jì)算對(duì)比結(jié)果，存在裂紋的凸肩工作面邊緣倒角較小會(huì)導(dǎo)致裂紋起源位置的擠壓應(yīng)力集中進(jìn)一步加劇，最高增幅達(dá)26%。

6 結(jié)論

根據(jù)檢查和分析結(jié)果，得出凸肩工作面出現(xiàn)裂紋的原因如下：

（1）凸肩工作面上的裂紋為疲勞裂紋，疲勞起源于靠近凸肩下表面轉(zhuǎn)接區(qū)的凸肩工作面表面；

（2）在風(fēng)扇葉片工作載荷和凸肩初始緊度共同作用下，在凸肩工作面長(zhǎng)、短軸方向發(fā)生變形錯(cuò)位，導(dǎo)致凸肩工作面接觸不均勻，在裂紋源附近位置產(chǎn)生一定的擠壓應(yīng)力集中；

（3）凸肩工作面的初始裝配錯(cuò)位導(dǎo)致裂紋源附近擠壓應(yīng)力集中程度增加；

（4）凸肩工作面與下表面的倒角較小，進(jìn)一步加劇了裂紋源附近擠壓應(yīng)力集中程度；

（5）較大的擠壓應(yīng)力集中導(dǎo)致裂紋源部位凸肩表面耐磨層出現(xiàn)微裂紋，擴(kuò)展形成初始裂紋。

綜上所述，初始裂紋產(chǎn)生的主要原因?yàn)橥辜绻ぷ髅娴木植繑D壓應(yīng)力過(guò)大，而工作面擠壓應(yīng)力集中主要由于風(fēng)扇工作載荷和凸肩接觸面的初始緊度共同作用下產(chǎn)生的凸肩變形錯(cuò)位導(dǎo)致的，為了避免類似情況再次發(fā)生，可以進(jìn)行預(yù)變形設(shè)計(jì)，增大接觸面積，減小擠壓應(yīng)力集中程度并使應(yīng)力集中位置位于工作面中部；同時(shí)保證凸肩裝配精度和凸肩工作面邊緣的倒角尺寸，防止擠壓應(yīng)力集中進(jìn)一步增加；并且提高耐磨層的抗擠壓能力。

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