[发明专利]一种用于刻画叶身与缘板过渡处结构细节的疲劳试验件

说明书

本发明公开一种用于刻画叶身与缘板过渡处结构细节的疲劳试验件，包括顺次连接的上夹持段、上圆弧过渡段、叶背特征模拟段、叶身与缘板过渡处特征模拟段、缘板特征模拟段、下圆弧过渡段和下夹持段，叶背特征模拟段采用双凸面设计，沿厚度方向对称，两凸面之间以圆弧段过渡；叶背特征模拟段沿轴向采用变截面设计；叶身与缘板过渡处特征模拟段采用变化的圆弧倒角设计，能够模拟叶身与缘板过渡处特征，重点解决模拟试样的几何设计能够刻画叶身缘板过渡特征处几何结构细节和应力分布特征，构成特征模拟的几何元素组合能够涵盖真实结构特征的设计边界。

技术领域

本发明涉及机械结构强度技术领域，特别是涉及一种用于刻画叶身与缘板过渡处结构细节的疲劳试验件。

背景技术

叶型曲面是风扇、压气机和涡轮叶片的一种典型结构特征形式，其带来的几何效应和几何-应力集中耦合效应是叶片结构设计和强度评估中必须考虑的关键问题之一。由于叶型曲面不同于典型的孔/缺口等几何不连续特征，该结构形式所产生的应力集中效应与传统的含孔/缺口试样明显不同，导致几何-应力集中耦合效应成为制约叶片高温疲劳强度和寿命评价的一个难题。试图单纯以缺口试样发展叶型曲面的疲劳强度理论，既不符合真实结构特征，也难以全面考虑真实结构的几何-应力集中耦合效应问题。因此，结构特征模拟件成为研究叶型曲面和叶身缘板过渡处疲劳问题的新型试样形式，有望发展适用于真实结构的疲劳理论。对于叶片类结构叶身缘板过渡处，其载荷形式多样、失效模式复杂通常存在高低周复合疲劳和保载疲劳等典型失效模式。为研究某一具体问题，需要根据相应的破坏特点，设计合理的模拟试样。

转子叶片在服役过程中，离心载荷的作用使叶片根部截面存在保持的高水平应力，同时发动机的启停又引起叶片根部截面应力产生大幅低频变化，二者叠加形成保载疲劳问题。不同于低周疲劳或叶片持久强度问题，保载疲劳既有保载问题的整体性，又具有疲劳问题的局部性。对于涡轮叶片而言，高温高水平应力不可避免地带来蠕变损伤，孤立地对叶片进行疲劳评估或持久强度评估已不能满足现代航空发动机叶片强度设计要求，有必要开展保载疲劳研究。

目前，采用平板、圆棒等标准试样以及全尺寸叶片研究叶片类结构的疲劳强度时存在以下几个问题：(1)标准试样的几何特征与实际叶片相差较大，无法反映几何-应力集中耦合效应，获得的破坏机理无法直接应用到真实结构，导致基于标准试样数据获得的寿命模型在评价叶片疲劳寿命时存在较大误差；(2)全尺寸叶片试验成本高，试验难度大，难以全面准确获得其所有温度和应力参数，通常只能获得定性的研究结果。

基于上述背景，为了研究叶身缘板过渡处几何-应力集中耦合效应对保载疲劳问题的影响，所设计的叶身缘板特征模拟件需要能够刻画叶身缘板过渡处真实结构细节，反映在轴向拉伸载荷下的几何-应力集中耦合效应，才能对叶身缘板过渡特征保载疲劳问题进行深入研究。需要指出的是，用于刻画叶身与缘板过渡处结构细节的疲劳试验件并不是对真实结构细节和应力状态的完全复制，其设计需能够表征结构力学特性的同时又能回答一般性科学问题，在结构细节刻画过程中，所采用的几何元素组合需能够将真实结构设计边界包容在内，使结构细节模拟件试验得到的认识能够广泛适用于各种参数条件下的真实结构设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于刻画叶身与缘板过渡处结构细节的疲劳试验件，以解决上述现有技术存在的问题，能够模拟叶身与缘板过渡特征，进行高温保载疲劳试验的试样，重点解决试样的几何设计与所模拟特征达到几何相似，对叶片叶身与缘板过渡特征细节刻画完备；在轴向拉伸载荷下，试样叶背特征模拟段应力分布与叶片在离心载荷下叶背应力分布相似，叶背特征模拟段与叶身与缘板过渡特征模拟段结合设计表征叶片叶身与缘板过渡处应力集中及应力梯度特征。同时通过改变所述叶身与缘板过渡特征模拟段叶背曲率和过渡倒角的组合，获得不同的应力集中-应力梯度特征，可以涵盖真实结构特征的设计边界。