航空發動機葉片榫頭榫槽連接結構微動疲勞研究

陳希 王俊昌 胡春玲

摘要：本文在MansonCoffin公式的基礎上建立微動疲勞損傷模型和壽命預測模型，分析滑移幅值、接觸半寬度、應變幅值、接觸應力和最大應力對榫頭榫槽壽命的影響；建立榫頭榫槽連接結構有限元模型，開展鈦合金榫頭榫槽連接結構微動疲勞研究，得到榫頭榫槽SN曲線。結果表明：（1）微動疲勞影響因素眾多，本文基于幾何參數提出的損傷參量可以較好的預測微動疲勞損傷；（2）滑移幅值的增加和等效應力的增加都會導致疲勞壽命的增加，而最大應力的增加、接觸半寬度的增加和應變幅值的增加，會導致損傷參數的減少，繼而導致疲勞壽命的降低。

關鍵詞：航空發動機；葉片；榫頭榫槽；疲勞

微動指兩相互接觸物體在一定法向載荷作用下發生相對位移，通常位移很小且具有反復性。許多學者認為幾十微米的滑移幅值可造成金屬表面的微動損傷。而航空發動機內大量使用榫連接結構、鉚釘結構，普遍存在微動損傷。

鈦合金由于比強度較高、工作溫度范圍較寬和優異的抗腐蝕能力，常用于航空發動機零部件制造。但鈦合金耐磨性差，對微動損傷敏感，當用于榫連接結構時，榫頭榫槽間容易發生微動疲勞損傷。資料表明，高周疲勞失效中1/6與榫連結構微動疲勞失效有關。[1]同時，1/5的航空發動機故障是由榫連接結構微動疲勞損傷造成的。[2]

本文在MansonCoffin公式的基礎上建立微動疲勞理論預測模型，并建立榫頭榫槽連接結構有限元模型，開展鈦合金榫頭榫槽連接結構微動疲勞研究。

1 理論研究預測模型

微動疲勞理論研究包含兩方面：微動疲勞裂紋萌生及擴展點預測；微動疲勞壽命預測。

對于裂紋萌生及擴展點預測，需考慮SWT參量、SSR、MSWT、RUIZ等諸多參量。本文采用RUIZ參量作預測，通過考慮接觸壓力、切應力和滑移位移等數值進行預測。RUIZ參量表達式為：

其中，為接觸壓力，為切應力，為接觸面的滑移位移。也可進一步簡化為：

其中是接觸面摩擦系數，是接觸面節點法向壓力。FFD可用FD摩擦功表示：

根據公式23，裂紋首先在或最大位置處萌生。因此可得損傷參量公式：

其中為法向應力幅值，為滑移幅值，為接觸區最大等效應力，為臨界最大法向應力，和為材料物性參數。根據MnasonCoffin公式可確定微動損傷參數和壽命間的關系：

通過測量公式5中、、、等數值，擬合得出材料物性參數、、數值，從而得到壽命預測模型。

2 有限元計算模型

3 計算分析

3.1 幾何參數與壽命的關系

由公式15分析損傷參量與壽命變化趨勢圖39：

（1）微動疲勞壽命隨滑移幅值和等效應力的增加而增長，且變化明顯。

（2）壽命隨接觸寬度的增加而下降；壽命隨損傷參量的增加而下降。

（3）應變幅值和最大應力的增加可引起壽命降低。

（4）在榫頭榫槽的接觸面中心，接觸應力下降；在中心兩邊呈現對稱分布。

3.2 有限元分析

對榫頭榫槽施加不同載荷，得到榫頭榫槽應力應變云圖，經擬合得到SN曲線見圖11。發現隨最大應力的增大，疲勞壽命逐漸降低。數值模擬結果與理論結果基本一致，該理論模型是可行的。

4 結論

本文對某型航空發動機鈦合金榫頭榫槽結構的微動疲勞性能展開研究，結論如下：

（1）微動疲勞影響因素眾多，接觸寬度、滑移幅值、等效應力、最大應力等都對微動疲勞壽命有影響，基于幾何參數提出的損傷參量可較好的預測微動疲勞損傷；

（2）滑移幅值和等效應力的增加都會導致疲勞壽命增加，而最大應力、接觸寬度和應變幅值的增加導致損傷參數減少，繼而降低疲勞壽命。

參考文獻：

[1]古遠興.高低周復合載荷下燕尾榫結構微動疲勞壽命研究[D].南京：南京航空航天大學，2007.

[2]楊萬均.燕尾榫結構微動疲勞壽命預測方法研究[D].南京：南京航空航天大學，2007.

[3]潘容，古遠興.微動疲勞壽命預測方法研究[J].燃氣渦輪實驗與研究，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）.