壓氣機(jī)鈦合金葉片外物損傷規(guī)律數(shù)值仿真研究

劉保果，孫護(hù)國，陳慶貴

(1. 海軍裝備部，北京 100071； 2. 海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東 青島 266041)

0 引言

飛機(jī)在起降和低空巡航時，諸如砂石及螺栓、螺母或金屬碎片之類的硬小外物會隨著高速氣流被吸入航空發(fā)動機(jī)，打傷風(fēng)扇及壓氣機(jī)葉片。為了區(qū)分鳥撞和冰撞這兩類軟物撞擊，硬小外物造成的小尺寸沖擊損傷被定義為外物損傷[1](foreign object damage, FOD)。外物損傷通常會在葉片損傷位置造成應(yīng)力集中、殘余拉應(yīng)力以及微裂紋、絕熱剪切等，嚴(yán)重影響構(gòu)件疲勞性能。航空發(fā)動機(jī)葉片長時間工作在較高的轉(zhuǎn)速下，伴隨著較大的低周離心載荷與高周振動載荷，工況極其惡劣。外物損傷葉片在如此載荷條件下連續(xù)工作，易促使損傷位置裂紋快速萌生擴(kuò)展，葉片使用壽命大大降低，從而引發(fā)疲勞斷裂，葉片飛脫打傷機(jī)匣，嚴(yán)重時導(dǎo)致非包容事故，是飛行安全中的巨大威脅。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[2]表明，1996年-2016年期間，中國民航共有1 765架次飛機(jī)遭受發(fā)動機(jī)外物損傷事故，受損機(jī)型囊括了CFM56系列、T700、V2500等16種主流型號，經(jīng)濟(jì)損失巨大。軍用飛機(jī)發(fā)動機(jī)承受的外物損傷問題更為嚴(yán)重，尤其發(fā)生在持續(xù)作戰(zhàn)、跑道無法及時清理時。因此，在航空發(fā)動機(jī)的研制階段開展風(fēng)扇及壓氣機(jī)葉片的抗外物損傷設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。而作為其基礎(chǔ)，外物損傷規(guī)律的研究顯得十分必要。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對多種葉片材料(不銹鋼、鈦合金、高溫合金等)的外物損傷問題開展了大量的試驗(yàn)研究與數(shù)值仿真分析，針對各種不同的因素(前緣半徑、外物形狀和尺寸、沖擊速度、沖擊角度等)研究了外物損傷的物理機(jī)理。國外，NOWELL D等[3]開展了不同前緣模擬葉片的一系列實(shí)驗(yàn)，研究了沖擊角度、前緣半徑和葉片楔角的影響。國內(nèi)，南京航空航天大學(xué)的學(xué)者針對航空發(fā)動機(jī)葉片外物損傷問題開展了大量的試驗(yàn)研究[4-6]，包括不銹鋼、TC4、TC17等多種常用葉片材料，并且結(jié)合外場統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從試驗(yàn)的角度研究了葉片外物損傷的影響規(guī)律，并進(jìn)一步服務(wù)于疲勞性能的影響研究。而在數(shù)值仿真方面，諸多學(xué)者通過LS-DYNA、DYTRAN、ABAQUS等商用軟件，采用Bammann和Johnson-Cook等材料模型，模擬了多種工況下外物沖擊葉片前緣的過程[7-8]。結(jié)果表明：仿真損傷形貌與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度高，可以使用數(shù)值仿真的方法研究外物損傷隨沖擊參數(shù)的變化規(guī)律。

考慮到真實(shí)葉片的經(jīng)濟(jì)成本問題，國內(nèi)外對于葉片外物損傷規(guī)律的試驗(yàn)研究都是集中在模擬葉片上，且試驗(yàn)數(shù)據(jù)量不夠多，無法覆蓋較廣泛的工況范圍。本文采用數(shù)值模擬計(jì)算的方法，研究了不同外物類型、外物尺寸、沖擊速度、沖擊角度等因素對葉片外物損傷特征的影響規(guī)律，可以為航空發(fā)動機(jī)葉片抗外物損傷設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 方法

1.1 分析對象

分析對象為某渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的高壓壓氣機(jī)葉片，葉片材料為TC4鈦合金，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇及壓氣機(jī)葉片、飛機(jī)結(jié)構(gòu)中重要承力構(gòu)件的生產(chǎn)制造。本文研究使用的葉身模型通過該型高壓壓氣機(jī)葉片實(shí)物逆向三維建模得到。

數(shù)值仿真分析中外物共包括鋼珠、鋁珠、沙礫3類，沖擊速度分別為100m/s、150m/s、200m/s、250m/s、300m/s 5類，沖擊角度分別為0°、30°、60°、90° 4類。沖擊角度定義為沖擊速度方向與前緣中線方向夾角，其示意圖如圖1所示。

圖1 沖擊角度示意圖

1.2 有限元模型

使用Hypermesh軟件，采用八節(jié)點(diǎn)六面體(SOLID185)單元，對壓氣機(jī)葉片及外物球體模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。以2mm鋼珠沖擊為例，有限元模型如圖2所示。

圖2 鋼珠沖擊葉片有限元模型

1.3 材料模型

壓氣機(jī)葉片采用Johnson-Cook(J-C)本構(gòu)模型，沖擊用GCr15軸承鋼珠采用ELASTIC材料模型，沖擊用鋁珠采用Plastic-Kinemetic(P-K)本構(gòu)模型，沖擊用沙礫采用Johnson-Holmquist-Ceramics(JH-2)模型。

1.4 邊界條件

在LS-DYNA軟件中對葉片平臺底部施加約束，約束節(jié)點(diǎn)位移為0。在沖擊外物與葉片之間建立侵蝕接觸(ERODING_SURFACE_TO_SURFACE)，將外物定義為主面，葉片定義為從面。

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)值仿真結(jié)果

本次數(shù)值仿真共開展了包含不同外物類型和尺寸、不同沖擊速度與沖擊角度的120例壓氣機(jī)葉片外物損傷數(shù)值模擬計(jì)算算例。

使用南京航空航天大學(xué)自主開發(fā)的NH-10空氣炮試驗(yàn)系統(tǒng)開展真實(shí)壓氣機(jī)葉片的外物損傷預(yù)制試驗(yàn)，用于驗(yàn)證數(shù)值仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)設(shè)備如圖3所示。

圖3 NH-10型空氣炮試驗(yàn)系統(tǒng)

分別選取1mm鋼珠以200m/s速度、2mm鋼珠以100m/s速度，均以0°沖擊葉片前緣作為仿真對照。對照結(jié)果見表1及圖4。

表1 仿真與試驗(yàn)缺口尺寸對比

圖4 仿真與試驗(yàn)缺口形貌對比

分析對比表1及圖4可以發(fā)現(xiàn)，外物損傷數(shù)值仿真深度與試驗(yàn)值誤差極小，都在10%范圍內(nèi)，但仿真寬度數(shù)據(jù)與試驗(yàn)值誤差稍大。這是由于沖擊深度主要由沖擊能量決定，能量越大則造成的深度越大；而損傷寬度則存在一定的分散性，沖擊過程中的微擾即會使外物發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而影響損傷寬度。

2.2 外物損傷規(guī)律分析

1)外物材料的影響

根據(jù)不同類型的直徑1mm外物以0°沖擊角度、不同沖擊速度造成的外物損傷結(jié)果，繪制沖擊損傷寬度與深度散點(diǎn)圖如圖5所示，研究外物材料對沖擊損傷尺寸的影響規(guī)律。

圖5 外物材料對損傷的影響

觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)，在相同的沖擊速度下，沙礫沖擊葉片前緣造成的外物損傷缺口寬度和深度遠(yuǎn)小于鋼珠與鋁珠造成的損傷。造成這種現(xiàn)象的原因?yàn)樯车[的內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，脆性極大，且硬度遠(yuǎn)小于鈦合金，沖擊初始階段即發(fā)生碎裂，從而使結(jié)構(gòu)被破壞，沖擊能量分散，不會造成明顯的損傷。在鋼珠與鋁珠之間，鋼珠造成的損傷深度與寬度更大。這是由于鋼珠密度大于鋁珠，從而具有更大的沖擊能量，且硬度的大小關(guān)系如下：軸承鋼>TC4鈦合金>鋁。因此鋼珠會切削葉片前緣材料，產(chǎn)生更大的損傷，而鋁珠則會因高速沖擊發(fā)生擠壓變形，而產(chǎn)生的損傷小于鋼珠沖擊。

由鋼珠與鋁珠沖擊產(chǎn)生的損傷，隨著沖擊速度的增大，損傷寬度差異變小，損傷深度差異變大。這是由于損傷寬度等于外物直徑時達(dá)到了極限，無法再增大；但損傷深度會隨著沖擊能量的增加進(jìn)一步增大，并且切削材料的難度也隨之增加。所以兩種材料的差異進(jìn)一步凸顯，表現(xiàn)為沖擊能量越大，損傷深度的差異越大。

2)外物尺寸的影響

根據(jù)不同直徑的鋁珠以0°沖擊角度、不同沖擊速度造成的外物損傷結(jié)果，繪制沖擊損傷寬度與深度散點(diǎn)圖如圖6所示，研究沖擊角度對沖擊損傷尺寸的影響規(guī)律。

圖6 外物尺寸對損傷的影響

分析圖6可知，在相同的沖擊角度和速度下，隨著外物尺寸的增加，造成的沖擊損傷有著明顯的增大。這主要有兩個方面的原因：一是更大的尺寸意味著更大的沖擊能量，必然會造成更大的損傷；二是外物尺寸增大，接觸面積增大，損傷寬度必然增大。

3)沖擊速度的影響

根據(jù)不同類型的直徑1mm外物以0°沖擊角度和直徑2mm外物以30°沖擊角度在不同沖擊速度下造成的外物損傷結(jié)果，繪制沖擊損傷寬度與深度散點(diǎn)圖如圖7所示，研究沖擊速度對沖擊損傷尺寸的影響規(guī)律。

圖7 沖擊速度對損傷的影響

由圖7可知，除了1mm沙礫造成的損傷外，其余工況下造成的沖擊損傷，均呈現(xiàn)出隨著沖擊速度增大而增大的規(guī)律?？梢哉J(rèn)為沖擊損傷與沖擊能量是正相關(guān)的。但同樣地，損傷深度存在上限值，近似等于沖擊外物的直徑。

4)沖擊角度的影響

根據(jù)直徑2mm的鋼珠以不同沖擊速度與不同沖擊角度造成的外物損傷結(jié)果，繪制沖擊損傷寬度與深度散點(diǎn)圖如圖8所示，研究沖擊角度對沖擊損傷尺寸的影響規(guī)律。

圖8 沖擊角度對損傷的影響

圖8中數(shù)據(jù)散點(diǎn)的分布只呈現(xiàn)出了關(guān)于沖擊速度的規(guī)律關(guān)系，并沒有表現(xiàn)出明顯的關(guān)于沖擊角度的關(guān)系。可以認(rèn)為，在其他沖擊參數(shù)相同時，外物以不同角度發(fā)生沖擊并不會影響其損傷寬度與深度，而實(shí)際上，外物隨來流吸入發(fā)動機(jī)沖擊前緣時的角度也是不可控的。

3 結(jié)語

本文使用數(shù)值仿真的方法研究了某型發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)葉片的外物損傷規(guī)律，并使用空氣炮法開展了部分工況下的外物損傷試驗(yàn)，驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。通過不同因素(外物類型、外物尺寸、沖擊速度、沖擊角度等)的外物損傷數(shù)值仿真結(jié)果，分析了試驗(yàn)參數(shù)對損傷寬度與損傷深度的影響，相關(guān)數(shù)據(jù)可以為發(fā)動機(jī)葉片的抗外物損傷設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。本文研究得到了以下結(jié)論：

1)外物材料類型對沖擊損傷影響十分明顯，主要表現(xiàn)在材料的脆性、密度及硬度上。高脆性材料難造成損傷，硬度大于葉片的外物更易切削材料，造成大深度損傷；材料密度與沖擊能量相關(guān)，能量越大，造成的損傷越大。

2)損傷寬度與深度與外物尺寸、沖擊速度都呈現(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系，這也是表現(xiàn)為沖擊能量的影響；同時，外物尺寸還表現(xiàn)出了接觸面積對損傷寬度的影響。

3)外物損傷寬度和深度均與沖擊角度之間沒有明顯關(guān)系。