一种金属叶片旋转状态鸟撞损伤工程预估方法

1.本发明涉及发动机叶片损伤试验领域。


背景技术：

2.航空发动机在工作时极易吸入鸟类而导致发动机叶片的撞击损伤，进而引发 严重的机械故障，在设计和取证时必须满足由适航规章或设计规范提出的抗鸟撞 击能力，金属叶片在当前军民用发动机结构中仍具有广泛的应用背景，因此，随 着航空发动机性能和安全性要求的不断提升，其金属叶片的抗鸟撞击损伤能力也 需要不断提高，并在早期设计中予以体现。在金属叶片设计初期，主要工作为关 注叶型等影响性能指标的参数和相应设计方法，针对叶片的抗鸟撞击能力，一般 在形成叶片设计方案后进行复杂的样件静止/旋转状态鸟撞试验与旋转状态鸟撞 大规模全三维数值分析与评估，工作难度大，代价高，在整个设计周期中缺乏一 种简便、快速、低成本的早期工程评估预估方法来初步确定叶片的鸟撞损伤程度 与抗鸟撞能力，相关方法与流程亟需发展。
3.因此，需要一种新的驱动技术方案以解决上述技术问题。


技术实现要素：

4.本发明目的为解决目前航空发动机抗鸟撞设计中只能通过叶片样件静止/旋 转状态鸟撞试验与大规模全三维数值分析与评估而导致的难度大、成本贵，风险 高等问题，发展一种基于静止叶片打靶和数值模拟的金属叶片旋转状态鸟撞损伤 工程预估方法，从而简便、快速、低成本地初步确定金属叶片的鸟撞损伤程度与 抗鸟撞能力。
5.为了达到上述目的，本发明提供的金属叶片旋转状态鸟撞损伤工程预估方法 可采用的技术方案如下：
6.一种金属叶片旋转状态鸟撞损伤工程预估方法，包括以下步骤：
7.(1)定义金属叶片在旋转状态下的鸟撞击连续损伤模式，按照损伤由轻到 重分为j类损伤；j为大于1的自然数；
8.(2)对带有前缘特征的平板模拟叶片进行静止状态下的鸟撞击试验，制造 j个鸟撞损伤平板模拟叶片，每个鸟撞损伤平板模拟叶片分别形成步骤(1)中定 义的某一类损伤；
9.(3)建立平板模拟叶片静止状态下鸟撞有限元模型并进行数值模拟，采用 试验结果标定数值模拟算法；
10.(4)采用经验证的平板叶片鸟撞数值模拟结果，提取并计算鸟撞叶片过程 中叶片变形能ie
blade
/系统总能pe
t
的最大变形能转化率η，其中：
11.η＝ie
blade
/pe
t
；
12.(5)采用经验证的平板叶片鸟撞数值模拟结果，得到每类损伤的鸟撞损伤 平板模拟叶片的叶片变形能iej，计算撞击处叶片截面的单位面积ai下的损伤能 量阈值iei，绘制连续损伤能量阈值-损伤模式曲线，其中：
13.iei＝iej/ai；其中i＝j；
14.(6)对新设计叶片进行鸟撞损伤工程估算
15.6.1)根据叶片撞击点回转线速度v
blade
，计划鸟撞质量m
bird
和轴向撞击速度 v
bird
计算系统总能pe，其中：
16.pe＝0.5*m
bird
*(v
2bird
v
2blade
)
17.6.2)根据鸟撞叶片最大变形能转化率η折算叶片变形能量上限ie
max
，其中：
18.ie
max
＝pe*η
19.6.3)根据叶片吸收上限能量ie
max
和撞击位置的截面积a’，计算待估算叶 片撞击位置的叶片变形能的单位面积损伤能量ie’；
20.ie’＝ie
max
/a’21.6.4)将待估算叶片截面单位面积损伤能量值ie’与单位面积损伤能量阈值 iei曲线比较，若ie’能量值线落在阈值曲线以下，则判定叶片不会发生目视撞 击损伤，若ie’能量值线与阈值曲线相交，则根据交点所在连续损伤模式区间 判定叶片发生的损伤模式，若ie’能量值线超过阈值曲线，则判定叶片发生断 裂损伤。
22.有益效果：本发明提供的对金属叶片旋转状态鸟撞损伤的预估方法不需要采 用大规模全三维数值分析与评估，而通过对真实的平板模拟叶片进行鸟弹撞击试 验得到数据并结合数据通过数学式绘制连续损伤能量阈值-损伤模式曲线，即可 作为新设计的待估算叶片是否有损伤隐患的参考，通过将待估算叶片撞击位置的 叶片变形能的单位面积损伤能量与连续损伤能量阈值-损伤模式曲线进行比较即 可得到叶片损伤隐患及预估损伤程度，能够简便、快速、低成本地初步确定金属 叶片的鸟撞损伤程度与抗鸟撞能力。
23.进一步的，步骤(1)中，按照损伤由轻到重分为六类：轻微弯曲(i)、局部 鼓包(ii)、裂纹产生(iii)、裂纹中度扩展(iv)、裂纹严重扩展(v)、叶片断 裂(vi)。
24.进一步的，步骤(2)中，设置夹具将平板模拟叶片的两端夹持后，通过不 同能量的模拟鸟弹撞击平板模拟叶片，得到了六类连续损伤模式的模拟叶片。
25.进一步的，步骤(5)中的连续损伤能量阈值-损伤模式曲线采用二维坐标系 绘制，其中横轴为由轻到重的六类损伤，纵轴为叶片截面损伤能量阈值。
26.进一步的，根据步骤(6)的工程估算结果进行新设计叶片的设计修正，若 叶片具有较强的抗鸟撞损伤能力，进入下一步精细设计迭代阶段；若叶片抗鸟撞 损伤能力不强，则在早期设计中进一步采取增强叶片强度的设计措施，并重新开 始步骤(6)的工程估算。
附图说明
27.图1是对鸟撞得到的六类损伤平板模拟叶片的经验证的数值模拟结果图。
28.图2是连续损伤能量阈值-损伤模式曲线。
29.图3是待估算叶片截面单位面积损伤能量值ie’与单位面积损伤能量阈值iei 曲线比较的预估示意图。
具体实施方式
30.本发明公开了一种金属叶片旋转状态鸟撞损伤工程预估方法，以下结合附图， 对本发明提供的技术方案做详细说明。
31.针对某种钛合金叶片的工程评估方法实例如下：
32.(1)根据使用维护记录、案例分析及前期研究结果，定义钛合金叶片在旋 转状态下的鸟撞击连续损伤模式为：轻微弯曲(i)-局部鼓包(ii)-裂纹产生(iii)
ꢀ‑
裂纹中度扩展(iv)-裂纹严重扩展(v)-叶片断裂(vi)；
33.(2)对带有前缘特征的平板模拟叶片进行静止状态下的鸟撞击试验，制造 带有上述典型特征的鸟撞损伤平板模拟叶片。设置夹具将平板模拟叶片的两端夹 持后，通过不同能量的模拟鸟弹撞击平板模拟叶片，得到了六类连续损伤模式的 模拟叶片。
34.(3)建立平板模拟叶片静止状态下鸟撞有限元模型并进行数值模拟，采用 试验结果标定数值模拟算法，可参考图1及图2。图1及图2中，标号1为平板 模拟叶片，标号2为设置的夹具。
35.(4)故采用经验证的平板叶片鸟撞数值模拟结果，提取并计算鸟撞叶片过 程中叶片变形能ie
blade
/系统总能pe
t
的最大变形能转化率η，其中：
36.η＝ie
blade
/pe
t
37.在本算例中，6种损伤的最大变形能转化率η变化区间在17％-20％间，因此， 取η＝0.2。
38.(5)采用经验证的平板叶片鸟撞数值模拟结果，得到鸟撞叶片的6种典型 损伤的叶片变形能iej，计算撞击处叶片截面的单位面积ai下的损伤能量阈值iei， 绘制连续损伤能量阈值-损伤模式曲线，其中：
39.iei＝iej/ai40.在本算例中，经计算和提取数据，得到iei值见表1所示，阈值曲线见图2。
41.表1叶片截面损伤能量阈值
[0042][0043]
(6)对某型新设计叶片进行鸟撞损伤工程估算
[0044]
1)根据叶片撞击点回转线速度v
blade
，计划鸟撞质量m
bird
和轴向撞击速度 v
bird
计算系统总能pe，根据该型叶片几何与起飞状态下1kg重量的鸟撞击叶片 中部参数，计算得到pe＝19000j
[0045]
2)根据鸟撞叶片最大变形能转化率η折算叶片变形能量上限ie
max
，其中：
[0046]
ie
max
＝3800j
[0047]
3)根据叶片吸收上限能量ie
max
和撞击位置的截面积a’，计算待估算叶片 撞击位置的叶片变形能的单位面积损伤能量ie’；
[0048]
ie’＝5.47j/mm2
[0049]
5.47》4.5，因此叶片在撞击位置出现断裂。
[0050]
根据同样步骤，其他质量鸟在相同工况下叶片损伤预估结果见图3所示。
[0051]
本发明具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选 实
施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原 理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保 护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。