一种真空环境下风扇叶片非对称加载疲劳强度试验方法与流程

1.本发明涉及航空发动机设计技术领域，特别是涉及一种真空环境下风扇叶片非对称加载疲劳强度试验方法。


背景技术：

2.现代航空发动机的风扇叶片结构薄、离心载荷大，特别是大涵道比风扇叶片，其振动和低循环寿命问题突出。风扇叶片离心应力场由叶根至叶尖逐渐减小，传统风扇叶片低循环疲劳试验无法准确模拟风扇叶片离心应力场，使得试验结果对风扇叶片寿命评价有局限性。
3.目前风扇叶片高低周复合疲劳试验多采用叶尖加载离心力，叶身布置激振器实现叶片高低周复合疲劳试验，该方法只能用于高度较小的压气机叶片或者小风扇叶片。


技术实现要素：

4.本发明为减小叶片振动过程中引起的气流扰动，需要试验件在加温的真空环境下进行，并通过钢丝滑轮机构实现非对称加载。
5.为了实现上述目的，本发明提供一种真空环境下风扇叶片非对称加载疲劳强度试验方法，包括以下步骤:
6.一、将风扇叶片进行径向分段，给定材料密度和转速后计算各截面的离心载荷与施加载荷；
7.二、通过拉拽试验确定单个锚点的最大承载能力，从而确定各截面所需锚点数量，然后根据叶片的截面形心得到各锚点的初步位置，并结合锚点载荷线性规划确定各锚点的具体位置及锚点最小施加载荷和最大施加载荷值；
8.三、将风扇叶片安装在疲劳试验装置内，并将锚点固定；
9.四、疲劳试验装置升温并实现真空环境后，给定风扇叶片激振频率和推力，同时根据循环频率给定各锚点最小施加载荷和最大施加载荷，得出试验结果。
10.所述步骤一中各截面的离心载荷采用公式f＝mω2r计算，施加载荷通过本截面离心载荷减去下一截面的离心载荷得出。
11.式中：f为截面的离心载荷；m为分段质量；ω为角速度；r为质心半径。
12.所述步骤二中锚点载荷线性规划以施加载荷后同一截面各锚点在x方向上不产生附加力矩为条件。
13.所述步骤四中锚点最小施加载荷为该锚点最大施加载荷的1.56％。
14.所述步骤四中锚点分别对应一组钢丝滑轮机构，每组钢丝滑轮机构根据循环频率对各锚点施加相应的拉力。
15.所述疲劳试验装置包括振动台与钢丝滑轮机构，振动台通过夹具固定风扇叶片，钢丝滑轮机构包括牵引绳，牵引绳一端连接风扇叶片上的锚点，另一端通过滑轮连接液压杆。
16.锚点采用胶粘的方式固定在风扇叶片表面，锚点包括粘接板，粘接板表面安装有吊环与锁紧螺母，锁紧螺母位于吊环顶部。
17.所述疲劳试验装置安装在真空箱内，滑轮和液压杆通过骨架支撑固定。
18.所述真空箱顶部分别通过不同的管道连接有真空泵和液压泵。
19.所述真空箱内安装有由温度控制器控制的电阻丝，液压泵连通液压杆并由液压伺服控制器控制。
20.本发明的有益效果在于：
21.1.本发明通过分段加载法将风扇叶片离心应力场施加到叶身上，利用钢丝滑轮机构实现载荷传递和控制，并将非对称锚点所受载荷与振动台相结合以实现非对称加载疲劳试验，同时引入真空和加温环境实现风扇叶片工作环境的准确模拟。
22.2.该试验方法可推广至风扇叶片非对称加载低循环疲劳试验以及其他大尺寸结构件的高低周复合疲劳试验，能有效解决风扇叶片定寿难题。
附图说明
23.图1为本发明提供的风扇叶片径向分段示意图。
24.图2为本发明提供的钢丝滑轮机构示意图。
25.图3为本发明提供的锚点位置及数量分布图。
26.图4为本发明提供的锚点位置设计示意图。
27.图5为本发明提供的风扇叶片低循环疲劳试验谱。
28.图6为本发明提供三种加载方式的应力场对比图。
29.图7为本发明提供的疲劳试验装置示意图。
30.图8为本发明提供的锚点结构示意图。
31.图9为本发明提供在真空加温环境下的疲劳试验装置示意图。
32.图中：1-锚点，11-粘接板，12-吊环，13-锁紧螺母，2-牵引绳，3-滑轮，4-液压杆，5-振动台，6-夹具，7-真空箱，8-真空泵，9-液压泵，10-控制台
具体实施方式
33.下面结合附图进一步描述本发明的具体实施例，但要求保护的范围并不局限于此。
34.实施例1
35.本发明提供一种真空环境下风扇叶片非对称加载疲劳强度试验方法，包括如下步骤：
36.一、将风扇叶片进行径向分段，给定材料密度和转速后采用公式f＝mω2r计算各截面的离心载荷，并进一步求出各截面的施加载荷，如图1所示：
37.具体地，以叶根底面为基准将叶片分为11个分段，共10个截面，每个截面径向间距100mm。采用公式f＝mω2r计算得到每个截面的离心载荷，其中材料密度为4440kg/m3，各分段质量m和质心半径r通过叶片三维模型，如ug软件“分析
”‑“
测量体”功能读取，转速n为4000转/分钟，角速度ω＝n*2π/60，截面施加载荷通过本截面离心载荷减去下一截面的离心载荷得出。
38.表1施加在各截面的最大离心载荷和施加载荷值
39.截面截面离心载荷截面施加载荷截面截面离心载荷截面施加载荷18611300n886100n62666000n949200n27725200n1136600n71716800n616400n36588600n1311200n81100400n431080n45277400n1371400n9669320n350420n53906000n1240000n10318900n318900n
40.其中，各截面最小离心载荷和施加载荷值为本截面最大离心载荷和施加载荷值的1.56％，使用转速n为500转/分钟计算得到。
41.表2施加在各截面的最小离心载荷和施加载荷值
42.截面截面离心载荷截面施加载荷截面截面离心载荷截面施加载荷1134550n13840n641657n14832n2120710n17760n726825n9632n3102950n20490n817193n6735n482460n21428n910458n5475.2n561032n19375n104982.8n4982.8n
43.二、通过拉拽试验确定单个锚点的最大承载能力，从而确定各截面所需锚点数量，然后根据叶片的截面形心得到各锚点的初步位置，再利用同一截面各锚点在施加载荷后在x方向上不产生附加力矩这一条件，确定各锚点的具体位置：
44.具体地，拉拽试验利用钢丝滑轮机构测试锚点的最大承载能力，如图2所示，具体采用胶粘的方式在叶片表面布置锚点，锚点上系有的牵引绳经过滑轮连接在液压杆上，通过液压杆施加的拉力确定单个锚点的最大承载能力为400kn，每个截面的最大施加载荷值除以锚点可承受的最大载荷计算出各截面所需的锚点数量，并利用截面形心初步确定锚点位置，锚点均应布置在风扇叶片的前缘和尾缘，防止钢丝摩擦叶片表面，避免试验结果存在误差，叶片表面的锚点数量及初步位置分布如图3所示。
45.以a截面为例设计锚点位置及其最小施加载荷和最大施加载荷值。如图4所示，以x方向及y方向力矩平衡为约束条件，使用excel进行锚点载荷线性规划求解，优先保证x方向的力矩平衡，符合约束条件的解为(m1,m2,m3,m4)＝(282916.7n,400000n,400000n,228283.3n)，其中m1 m2 m3 m4＝a截面的最大施加载荷，满足x方向力矩平衡：282916.7n
×
230mm 400000n
×
180mm＝137070833n
·
mm＝400000n
×
200mm 228283.3n
×
250mm，各锚点最小施加载荷为该锚点最大施加载荷的1.56％。虽然y方向力矩不平衡的剩余力矩对叶片整体受力的影响程度较小，但也应该使y方向的剩余力矩最大程度减小，进而达到更好的试验效果，y方向剩余力矩最小为400000n
×
23.18mm 228283.3n
×
1.55mm-282916.7n
×
93.17mm 400000n
×
67.57mm＝-44469185n
·
mm，通过上述过程求得各锚点的具体位置及其最小施加载荷和最大施加载荷值。
46.三、将叶片安装在疲劳试验装置内并将锚点固定，锚点所受载荷通过牵引绳传递，一个锚点对应一组液压杆；
47.四、疲劳试验装置升温并实现真空环境后，给定风扇叶片激振频率和推力，同时根据循环频率给定各锚点最小施加载荷和最大施加载荷，得出试验结果。
48.具体地，通过真空泵控制真空箱内剩余压力不大于0.01mpa，控制台将电阻丝加温至80℃。振动台激振频率67hz，推力15吨，各锚点最小施加载荷和最大施加载荷由步骤二得出，并由液压杆对锚点施加对应载荷，按图5所示的风扇叶片低循环疲劳试验谱开始非对称循环加载，在锚点最小施加载荷和最大施加载荷处停滞3s，总试验次数为1206次，至风扇叶片疲劳破坏。
49.如图6所示，从左到右依次是离心应力场、本发明产生的应力场和叶尖加载应力场，由图可知，叶尖加载的方式无法有效模拟离心载荷产生的应力场，且对考核点应力大小和位置也无法准确模拟。本发明产生的应力场能较好模拟真实离心应力场，且叶片根部最大应力点应力大小和位置均可考核到位，能够较好模拟风扇叶片主要振动模态叠加离心应力的高低周复合工况，实现风扇叶片工作环境的准确模拟，并且有效解决风扇叶片的定寿难题。
50.上述的疲劳试验装置如图7所示，包括振动台5，叶片通过夹具6固定在振动台5上,所受载荷通过牵引绳传递，牵引绳2一端连接叶片上的锚点1，另一端连接施加载荷的液压杆4，锚点1和液压杆4之间采用滑轮结构，将非对称锚点所受载荷与振动台相结合以实现非对称加载疲劳试验。
51.锚点1包括粘接板11，粘接板11表面安装有吊环12与锁紧螺母13，锁紧螺母13位于吊环12顶部，锚点采用胶粘的方式固定在叶片表面，如图8所示。
52.疲劳试验装置安装在真空箱7内，其中滑轮3和液压杆4通过骨架支撑固定，真空箱7顶部分别通过不同的管道连接有真空泵8和液压泵9；真空箱7内安装有由温度控制器控制的电阻丝，对叶片起到加热的目的；液压泵9连通液压杆并由液压伺服控制器控制，液压伺服控制器包含plc可编程控制器、油压传感器和电磁阀。控制台10包括控制板、显示器及与温度控制器和液压伺服控制器连接的计算机，如图9所示。