[发明专利]一种FOD用弯曲疲劳试验件及其设计方法

说明书

本发明公开了一种FOD用弯曲疲劳试验件及其设计方法，该FOD用弯曲疲劳试验件包括夹持端及模拟叶片。其中，夹持端能满足在FOD模拟试验和弯曲疲劳试验时有效夹持，避免试验件因松动影响试验结果；模拟叶片能模拟真实叶片特征位置前缘的形状，并把叶片前缘适当弯曲，有效避免因弯曲中性层导致的弯曲应力小问题。

技术领域

本发明涉及飞行器发动机叶片模拟试验技术领域。

背景技术

飞机在跑道或航母甲板起降过程中，高转速运行的航空发动机常会吸入石子、砂砾、螺栓、金属碎片等硬物，这些异物进入发动机时与压气机叶片的相对速度可达100m/s-350m/s，会对前几级压气机叶片尤其是叶片的前缘造成严重的冲击损伤损伤。现有技术中，将金属、砂石等坚硬物体撞击发动机带来的损伤称作“外物损伤”(简称FOD，ForeignObject Damage)。

现有技术中，用于FOD试验与高周疲劳试验的平板模拟叶片试验件几乎均存在如下问题：试验件整体为平板设计，分为不带前缘与带前缘两类，前者用于材料的疲劳性能试验，后者可表现前缘特征对试验件疲劳性能的影响，但由于其平板的形状，都是使用拉伸试验机进行拉压高周疲劳试验。高周疲劳试验是揭示FOD叶片疲劳性能的重要研究内容。拉压高周疲劳试验只能研究离心载荷对发动机叶片疲劳强度的影响，无法表现振动载荷的影响。发动机叶片在实际工作中受到离心载荷与振动载荷的复合作用，因此需要开展对发动机叶片弯曲疲劳性能的研究，这就必须要发明能够满足弯曲疲劳试验要求的试验件，即要求模拟叶片既能表现真实叶片特征位置前缘的形状，又要求模拟叶片能避免弯曲振动时应力不足的问题。

使用真实发动机叶片进行FOD试验及高周弯曲疲劳试验是针对该型号叶片最为准确的研究方法，但外物损伤试验是破坏性试验，试验件受损后将无法恢复到试验前状态，因此每进行一次试验就需要报废一件真实叶片试验件，试验成本极其高昂。这使得无法进行大规模FOD试验及高周弯曲疲劳试验，获得的试验数据量有限，无法满足疲劳性能研究所需。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种FOD用弯曲疲劳试验件，能够模拟真实叶片前缘特征并有效避免弯曲振动应力低问题。

本发明同时提供了上述FOD用弯曲疲劳试验件的设计方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案。

一种FOD用弯曲疲劳试验件，包括夹持端及模拟叶片，模拟叶片的后端与夹持端连接；所述模拟叶片具有上表面、下表面及两个侧面；且上表面、下表面及两个侧面与夹持端连接处具有圆弧过渡；所述模拟叶片的前端为机翼前缘结构，且该机翼前缘结构包括平板段及自平板段两端弯折翘曲的两个前缘，且前缘与平板段的连接处为圆弧过渡；两个前缘在平板段两侧呈对称设置。

进一步的，所述夹持端仅设置一个。

进一步的，夹持端的厚度大于六倍平板段厚度。

进一步的，模拟叶片长度置为模拟叶片宽度的1.5倍。

进一步的，模拟叶片平板段宽度为前缘宽度的三倍。

有益效果：本发明提供的FOD用弯曲疲劳试验件能模拟真实叶片前缘特征并有效避免弯曲振动应力低问题。其中，夹持端能满足在FOD模拟试验和弯曲疲劳试验时有效夹持，避免试验件因松动影响试验结果；模拟叶片能模拟真实叶片特征位置前缘的形状，并把叶片前缘适当弯曲，有效避免因弯曲中性层导致的弯曲应力小问题。

本发明提供的上述FOD用弯曲疲劳试验件的设计方法，可采用以下技术方案：

根据真实叶片的三维模型进行有限元仿真，得到前缘的危险位置，从模型中获得危险位置的截面尺寸，从中提取前缘半径和前缘夹角，叶身厚度稳定时的尺寸作为模拟叶片平板段厚度，以及从前缘到叶身厚度稳定位置的长度，作为前缘背面宽度和前缘正面宽度；

模拟叶片平板段宽度为前缘宽度的三倍；