航空发动机叶片榫头榫槽连接结构微动疲劳研究

陈希 王俊昌 胡春玲

摘要：本文在MansonCoffin公式的基础上建立微动疲劳损伤模型和寿命预测模型，分析滑移幅值、接触半宽度、应变幅值、接触应力和最大应力对榫头榫槽寿命的影响；建立榫头榫槽连接结构有限元模型，开展钛合金榫头榫槽连接结构微动疲劳研究，得到榫头榫槽SN曲线。结果表明：（1）微动疲劳影响因素众多，本文基于几何参数提出的损伤参量可以较好的预测微动疲劳损伤；（2）滑移幅值的增加和等效应力的增加都会导致疲劳寿命的增加，而最大应力的增加、接触半宽度的增加和应变幅值的增加，会导致损伤参数的减少，继而导致疲劳寿命的降低。

关键词：航空发动机；叶片；榫头榫槽；疲劳

微动指两相互接触物体在一定法向载荷作用下发生相对位移，通常位移很小且具有反复性。许多学者认为几十微米的滑移幅值可造成金属表面的微动损伤。而航空发动机内大量使用榫连接结构、铆钉结构，普遍存在微动损伤。

钛合金由于比强度较高、工作温度范围较宽和优异的抗腐蚀能力，常用于航空发动机零部件制造。但钛合金耐磨性差，对微动损伤敏感，当用于榫连接结构时，榫头榫槽间容易发生微动疲劳损伤。资料表明，高周疲劳失效中1/6与榫连结构微动疲劳失效有关。[1]同时，1/5的航空发动机故障是由榫连接结构微动疲劳损伤造成的。[2]

本文在MansonCoffin公式的基础上建立微动疲劳理论预测模型，并建立榫头榫槽连接结构有限元模型，开展钛合金榫头榫槽连接结构微动疲劳研究。

1 理论研究预测模型

微动疲劳理论研究包含两方面：微动疲劳裂紋萌生及扩展点预测；微动疲劳寿命预测。

对于裂纹萌生及扩展点预测，需考虑SWT参量、SSR、MSWT、RUIZ等诸多参量。本文采用RUIZ参量作预测，通过考虑接触压力、切应力和滑移位移等数值进行预测。RUIZ参量表达式为：

其中，为接触压力，为切应力，为接触面的滑移位移。也可进一步简化为：

其中是接触面摩擦系数，是接触面节点法向压力。FFD可用FD摩擦功表示：

根据公式23，裂纹首先在或最大位置处萌生。因此可得损伤参量公式：

其中为法向应力幅值，为滑移幅值，为接触区最大等效应力，为临界最大法向应力，和为材料物性参数。根据MnasonCoffin公式可确定微动损伤参数和寿命间的关系：

通过测量公式5中、、、等数值，拟合得出材料物性参数、、数值，从而得到寿命预测模型。

2 有限元计算模型

3 计算分析

3.1 几何参数与寿命的关系

由公式15分析损伤参量与寿命变化趋势图39：

（1）微动疲劳寿命随滑移幅值和等效应力的增加而增长，且变化明显。

（2）寿命随接触宽度的增加而下降；寿命随损伤参量的增加而下降。

（3）应变幅值和最大应力的增加可引起寿命降低。

（4）在榫头榫槽的接触面中心，接触应力下降；在中心两边呈现对称分布。

3.2 有限元分析

对榫头榫槽施加不同载荷，得到榫头榫槽应力应变云图，经拟合得到SN曲线见图11。发现随最大应力的增大，疲劳寿命逐渐降低。数值模拟结果与理论结果基本一致，该理论模型是可行的。

4 结论

本文对某型航空发动机钛合金榫头榫槽结构的微动疲劳性能展开研究，结论如下：

（1）微动疲劳影响因素众多，接触宽度、滑移幅值、等效应力、最大应力等都对微动疲劳寿命有影响，基于几何参数提出的损伤参量可较好的预测微动疲劳损伤；

（2）滑移幅值和等效应力的增加都会导致疲劳寿命增加，而最大应力、接触宽度和应变幅值的增加导致损伤参数减少，继而降低疲劳寿命。

参考文献：

[1]古远兴.高低周复合载荷下燕尾榫结构微动疲劳寿命研究[D].南京：南京航空航天大学，2007.

[2]杨万均.燕尾榫结构微动疲劳寿命预测方法研究[D].南京：南京航空航天大学，2007.

[3]潘容，古远兴.微动疲劳寿命预测方法研究[J].燃气涡轮实验与研究，2009.6，22（2）.

[4]K.N.Smith，P.Watson，T.H.Topper.A stress function for the fatigue of metals[J].Journal of Materials，1970，5（4）.