風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，邵 帥

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

0 引言

在航空發動機風扇葉片凸肩結構設計中，主要從減小氣動影響[1-2]和保證干摩擦減振效果[3-13]兩方面進行設計，而對其本身的強度設計研究較少。但在實際使用過程中，經常出現凸肩工作面表面耐磨層掉渣等現象，甚至在工作面上發現了裂紋。對某型風扇葉片工作后分解檢查發現，風扇葉片盆側凸肩工作面存在長約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。

本文對凸肩工作面上出現的裂紋進行了裂紋斷口分析。通過工作狀態下凸肩工作面接觸分析，確定了凸肩工作面擠壓應力分布和變形錯位規律，并分析了工作面初始裝配錯位和工作面邊緣倒角等裝配與加工因素對擠壓應力分布的影響，最后找到了初始裂紋產生原因。

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。根據斷口分析，該裂紋為疲勞裂紋，起源于靠近凸肩下表面轉接區的凸肩工作面，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凸肩工作面進行電鏡檢查，耐磨涂層檢查結果如圖3所示。從圖中可見，在裂紋起始位置，凸肩工作面表面耐磨層呈現多條微裂紋，表明在工作過程中受到較大的擠壓磨蹭應力。而在遠離裂紋起始位置的耐磨涂層檢查結果顯示表面無微裂紋，如圖4所示。

圖3 裂紋起源附近凸肩工作面電鏡檢查

圖4 遠離裂紋起源附近凸肩工作面電鏡檢查

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

圖5 出現裂紋盆側凸肩工作面磨痕

圖6 配合的背側凸肩工作面磨痕

同時，出現裂紋的盆側凸肩工作面磨痕表明存在初始裝配錯位；并且出現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)，小于設計要求。

綜上所述，根據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接區的凸肩工作面，且此處無明顯的結構和材質缺陷；

（2）在裂紋起源位置附近發現耐磨層表面存在較大的擠壓磨蹭應力導致的微裂紋；

（3）凸肩工作面存在工作中變形錯位現象；

（4）存在初始裝配錯位；

（5）邊緣倒角較小。

根據檢查結果，推測裂紋產生原因為葉片工作后，凸肩工作面發生變形錯位，在裂紋起始位置出現較大的擠壓應力集中[14-15]；同時工作面的初始裝配錯位和邊緣倒角較小等加工裝配因素加劇了擠壓應力集中程度，使裂紋起源部位耐磨層出現微裂紋，擴展形成裂紋。

2 凸肩工作面接觸模型的建立

推測裂紋產生與凸肩工作面擠壓應力集中有關，因此需要建立風扇凸肩工作面接觸計算模型，分析工作狀態凸肩工作面擠壓應力分布情況。

為了節省計算時間，基于ANSYS平臺進行凸肩工作面接觸計算，建立簡化的凸肩工作面接觸模型[16-18]。首先，假設整圈風扇葉片變形一致，建立2個相鄰風扇葉片模型，將配合其凸肩工作面定義為接觸；建立1個經過發動機軸線的平面將未定義接觸的一側風扇葉片凸肩切開，并要求不能切到工作面和根部倒角；然后，將切割平面繞發動機軸線旋轉360°/N（N 為葉片數）移動到相鄰葉片的相同位置，切開凸肩，刪掉兩側模型，如圖7所示；最后，由于假設整圈風扇葉片變形一致，同時兩側的切開面為相鄰葉片的同一位置，變形應該一致，可以定義3向位移約束，如圖8所示。利用該方法定義的簡化凸肩工作面接觸模型，可以考慮葉身可加載氣動和離心載荷，模擬葉片實際工作情況；凸肩工作面可設置接觸參數，如不同初始緊度、初始接觸狀態和摩擦系數等；可考慮不同凸肩工作面模型。

圖7 凸肩工作面接觸計算模型

圖8 被切開面間的3向位移約束

3 凸肩工作面擠壓應力分布

3.1 凸肩工作面擠壓應力分析

針對航空發動機工作狀態，考慮風扇葉片工作載荷，采用凸肩工作面接觸計算模型，計算得到設計初始緊度時凸肩工作面擠壓應力分布，如圖9所示，平均和最大擠壓應力見表1。

圖9 大狀態常用初始緊度時凸肩工作面擠壓應力分布

表1 凸肩工作面平均擠壓應力和最大擠壓應力

從圖中可見，擠壓應力主要分布在凸肩工作面下側，上邊緣擠壓應力幾乎為0，表明工作中此處不接觸，可能出現了變形錯位；在長軸方向，靠近尖部存在一片大的擠壓應力分布，而在根部工作面擠壓應力較均勻且很小，因此，在長軸方向也存在變形錯位；從整個工作面擠壓應力分布分析，整個工作面存在長、短軸上的變形錯位，導致整個工作面接觸不均勻，主要在凸肩尖部和下側接觸，在尖部下側區域形成大的擠壓應力區域，在靠近裂紋起始位置的下側尖部位置形成擠壓應力集中。根據工作面擠壓應力分析，得出凸肩工作面呈現接觸不均勻現象，主要在盆側凸肩下側靠近尖部接觸，與凸肩工作面磨痕分析結果吻合；裂紋起始部位存在擠壓應力集中。

3.2 工作狀態凸肩工作面變形分析

根據凸肩工作面接觸計算，得到工作狀態凸肩工作面相互位移變形，如圖10所示；采用凸肩局部坐標系，如圖11所示；得到凸肩工作面盆側凸肩位移見表2。

圖10 工作狀態凸肩相互變形錯位(藍色為背側凸肩工作面，彩色為盆側裂紋凸肩工作面)

根據計算結果，在工作狀態下，由于葉片受到的工作載荷和凸肩的初始緊度作用下，凸肩會在長、短軸方向都發生錯位變形，具體表現為：

圖11 凸肩局部坐標系

表2 凸肩工作面盆側凸肩位移 mm

（1）凸肩長軸方向發生盆側凸肩尖部變形錯位突出，會導致盆側凸肩尖部不發生接觸，磨痕較輕，與工作面磨痕檢查結果一致；

（2）凸肩短軸方向發生盆側凸肩上側變形錯位突出，會導致其工作面上側不發生接觸，磨痕較輕，與工作面磨痕檢查結果一致；

（3）由于凸肩長、短軸方向的位移，導致凸肩主要在盆側凸肩下側靠近尖部接觸，靠近裂紋起始位置出現擠壓應力集中。

4 凸肩初始裝配錯位影響

斷口分析檢查表明裂紋的凸肩工作面存在初始裝配錯位。根據磨痕得到錯位方式和尺寸，建立凸肩工作面接觸模型，如圖12所示。計算得到初始裝配錯位情況下的凸肩工作面擠壓應力分布，如圖13所示。錯位和未錯位時出現裂紋凸肩工作面擠壓應力對比見表3。根據計算結果分析，由于初始裝配的錯位，使工作面的整個軸向錯位變形更加嚴重，導致工作面擠壓應力發生變化，工作面上部分都不接觸；同時由于軸向錯位加劇，擠壓應力集中程度增加。

圖12 錯位模型的凸肩有限元計算模型

圖13 錯位模型的凸肩工作擠壓應力分布

表3 初始裝配錯位和未錯位時凸肩工作面擠壓應力對比

根據計算對比結果，凸肩工作面的初始裝配錯位進一步加劇了裂紋源位置的擠壓應力集中，使擠壓應力從139MPa增至267MPa，增幅達到92%。

5 凸肩工作面邊緣倒角影響

由裂紋斷口分析發現，凸肩工作面與上、下表面的倒角非常小，小于設計要求；同時工作面擠壓應力分析表明在工作面下側邊緣存在擠壓應力集中，因此，工作面邊緣倒角可能影響擠壓應力的集中程度。

針對此情況，并考慮檢查發現的初始裝配錯位情況，建立存在初始錯位并且無工作面邊緣倒角情況下的凸肩接觸計算模型，如圖14所示。根據模型計算得到凸肩工作面擠壓應力分布如圖15所示，與有倒角情況下凸肩工作面擠壓應力對比見表4。從應力分布和擠壓應力對比可見，當凸肩工作面邊緣無倒角時，最大擠壓應力從267MPa增至336MPa，增幅為26%，擠壓應力集中程度進一步加劇。

圖14 錯位并無倒角模型的凸肩有限元計算模型

圖15 錯位并無倒角模型的凸肩工作擠壓應力分布

根據計算對比結果，存在裂紋的凸肩工作面邊緣倒角較小會導致裂紋起源位置的擠壓應力集中進一步加劇，最高增幅達26%。

6 結論

根據檢查和分析結果，得出凸肩工作面出現裂紋的原因如下：

（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接區的凸肩工作面表面；

（2）在風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、短軸方向發生變形錯位，導致凸肩工作面接觸不均勻，在裂紋源附近位置產生一定的擠壓應力集中；

（3）凸肩工作面的初始裝配錯位導致裂紋源附近擠壓應力集中程度增加；

（4）凸肩工作面與下表面的倒角較小，進一步加劇了裂紋源附近擠壓應力集中程度；

（5）較大的擠壓應力集中導致裂紋源部位凸肩表面耐磨層出現微裂紋，擴展形成初始裂紋。

綜上所述，初始裂紋產生的主要原因為凸肩工作面的局部擠壓應力過大，而工作面擠壓應力集中主要由于風扇工作載荷和凸肩接觸面的初始緊度共同作用下產生的凸肩變形錯位導致的，為了避免類似情況再次發生，可以進行預變形設計，增大接觸面積，減小擠壓應力集中程度并使應力集中位置位于工作面中部；同時保證凸肩裝配精度和凸肩工作面邊緣的倒角尺寸，防止擠壓應力集中進一步增加；并且提高耐磨層的抗擠壓能力。

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