張海洋，曹 航，李 洋，王繼業(yè)，邵 帥

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽110015）

0 引言

在航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片凸肩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要從減小氣動影響[1-2]和保證干摩擦減振效果[3-13]兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，而對其本身的強(qiáng)度設(shè)計(jì)研究較少。但在實(shí)際使用過程中，經(jīng)常出現(xiàn)凸肩工作面表面耐磨層掉渣等現(xiàn)象，甚至在工作面上發(fā)現(xiàn)了裂紋。對某型風(fēng)扇葉片工作后分解檢查發(fā)現(xiàn)，風(fēng)扇葉片盆側(cè)凸肩工作面存在長約3mm的裂紋，位于凸肩工作面尖部位置，并向上、下端面延伸一定距離。

本文對凸肩工作面上出現(xiàn)的裂紋進(jìn)行了裂紋斷口分析。通過工作狀態(tài)下凸肩工作面接觸分析，確定了凸肩工作面擠壓應(yīng)力分布和變形錯位規(guī)律，并分析了工作面初始裝配錯位和工作面邊緣倒角等裝配與加工因素對擠壓應(yīng)力分布的影響，最后找到了初始裂紋產(chǎn)生原因。

1 裂紋形貌和斷口分析檢查

凸肩工作面裂紋形貌如圖1所示。裂紋位于葉片葉盆側(cè)凸肩耐磨層部位，靠近凸肩尖部，向上、下端面延伸一定距離。根據(jù)斷口分析，該裂紋為疲勞裂紋，起源于靠近凸肩下表面轉(zhuǎn)接區(qū)的凸肩工作面，如圖2中箭頭所指位置。

圖1 凸肩工作面裂紋形貌

圖2 裂紋斷口宏觀形貌

在裂紋起始位置附近對凸肩工作面進(jìn)行電鏡檢查，耐磨涂層檢查結(jié)果如圖3所示。從圖中可見，在裂紋起始位置，凸肩工作面表面耐磨層呈現(xiàn)多條微裂紋，表明在工作過程中受到較大的擠壓磨蹭應(yīng)力。而在遠(yuǎn)離裂紋起始位置的耐磨涂層檢查結(jié)果顯示表面無微裂紋，如圖4所示。

圖3 裂紋起源附近凸肩工作面電鏡檢查

圖4 遠(yuǎn)離裂紋起源附近凸肩工作面電鏡檢查

對出現(xiàn)裂紋的凸肩工作面進(jìn)行表面磨痕檢查，盆側(cè)凸肩（存在裂紋）及與其配合的背側(cè)凸肩工作面表面磨痕分別如圖5、6所示。從圖中可見，凸肩工作面尖部均為磨損較輕區(qū)域，葉盆、葉背側(cè)凸肩工作面分別靠近上、下表面轉(zhuǎn)接區(qū)域大部分都為磨損較輕區(qū)域。

圖5 出現(xiàn)裂紋盆側(cè)凸肩工作面磨痕

圖6 配合的背側(cè)凸肩工作面磨痕

同時(shí)，出現(xiàn)裂紋的盆側(cè)凸肩工作面磨痕表明存在初始裝配錯位；并且出現(xiàn)裂紋的凸肩工作面邊緣倒角非常小(如圖2中工作面與上表面交接部位倒角)，小于設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，根據(jù)裂紋形貌以及斷口分析檢查得出：

（1）裂紋為疲勞裂紋，起源于靠近凸肩下表面轉(zhuǎn)接區(qū)的凸肩工作面，且此處無明顯的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)缺陷；

（2）在裂紋起源位置附近發(fā)現(xiàn)耐磨層表面存在較大的擠壓磨蹭應(yīng)力導(dǎo)致的微裂紋；

（3）凸肩工作面存在工作中變形錯位現(xiàn)象；

（4）存在初始裝配錯位；

（5）邊緣倒角較小。

根據(jù)檢查結(jié)果，推測裂紋產(chǎn)生原因?yàn)槿~片工作后，凸肩工作面發(fā)生變形錯位，在裂紋起始位置出現(xiàn)較大的擠壓應(yīng)力集中[14-15]；同時(shí)工作面的初始裝配錯位和邊緣倒角較小等加工裝配因素加劇了擠壓應(yīng)力集中程度，使裂紋起源部位耐磨層出現(xiàn)微裂紋，擴(kuò)展形成裂紋。

2 凸肩工作面接觸模型的建立

推測裂紋產(chǎn)生與凸肩工作面擠壓應(yīng)力集中有關(guān)，因此需要建立風(fēng)扇凸肩工作面接觸計(jì)算模型，分析工作狀態(tài)凸肩工作面擠壓應(yīng)力分布情況。

為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，基于ANSYS平臺進(jìn)行凸肩工作面接觸計(jì)算，建立簡化的凸肩工作面接觸模型[16-18]。首先，假設(shè)整圈風(fēng)扇葉片變形一致，建立2個(gè)相鄰風(fēng)扇葉片模型，將配合其凸肩工作面定義為接觸；建立1個(gè)經(jīng)過發(fā)動機(jī)軸線的平面將未定義接觸的一側(cè)風(fēng)扇葉片凸肩切開，并要求不能切到工作面和根部倒角；然后，將切割平面繞發(fā)動機(jī)軸線旋轉(zhuǎn)360°/N（N 為葉片數(shù)）移動到相鄰葉片的相同位置，切開凸肩，刪掉兩側(cè)模型，如圖7所示；最后，由于假設(shè)整圈風(fēng)扇葉片變形一致，同時(shí)兩側(cè)的切開面為相鄰葉片的同一位置，變形應(yīng)該一致，可以定義3向位移約束，如圖8所示。利用該方法定義的簡化凸肩工作面接觸模型，可以考慮葉身可加載氣動和離心載荷，模擬葉片實(shí)際工作情況；凸肩工作面可設(shè)置接觸參數(shù)，如不同初始緊度、初始接觸狀態(tài)和摩擦系數(shù)等；可考慮不同凸肩工作面模型。

圖7 凸肩工作面接觸計(jì)算模型

圖8 被切開面間的3向位移約束

3 凸肩工作面擠壓應(yīng)力分布

3.1 凸肩工作面擠壓應(yīng)力分析

針對航空發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)，考慮風(fēng)扇葉片工作載荷，采用凸肩工作面接觸計(jì)算模型，計(jì)算得到設(shè)計(jì)初始緊度時(shí)凸肩工作面擠壓應(yīng)力分布，如圖9所示，平均和最大擠壓應(yīng)力見表1。

圖9 大狀態(tài)常用初始緊度時(shí)凸肩工作面擠壓應(yīng)力分布

表1 凸肩工作面平均擠壓應(yīng)力和最大擠壓應(yīng)力

從圖中可見，擠壓應(yīng)力主要分布在凸肩工作面下側(cè)，上邊緣擠壓應(yīng)力幾乎為0，表明工作中此處不接觸，可能出現(xiàn)了變形錯位；在長軸方向，靠近尖部存在一片大的擠壓應(yīng)力分布，而在根部工作面擠壓應(yīng)力較均勻且很小，因此，在長軸方向也存在變形錯位；從整個(gè)工作面擠壓應(yīng)力分布分析，整個(gè)工作面存在長、短軸上的變形錯位，導(dǎo)致整個(gè)工作面接觸不均勻，主要在凸肩尖部和下側(cè)接觸，在尖部下側(cè)區(qū)域形成大的擠壓應(yīng)力區(qū)域，在靠近裂紋起始位置的下側(cè)尖部位置形成擠壓應(yīng)力集中。根據(jù)工作面擠壓應(yīng)力分析，得出凸肩工作面呈現(xiàn)接觸不均勻現(xiàn)象，主要在盆側(cè)凸肩下側(cè)靠近尖部接觸，與凸肩工作面磨痕分析結(jié)果吻合；裂紋起始部位存在擠壓應(yīng)力集中。

3.2 工作狀態(tài)凸肩工作面變形分析

根據(jù)凸肩工作面接觸計(jì)算，得到工作狀態(tài)凸肩工作面相互位移變形，如圖10所示；采用凸肩局部坐標(biāo)系，如圖11所示；得到凸肩工作面盆側(cè)凸肩位移見表2。

圖10 工作狀態(tài)凸肩相互變形錯位(藍(lán)色為背側(cè)凸肩工作面，彩色為盆側(cè)裂紋凸肩工作面)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在工作狀態(tài)下，由于葉片受到的工作載荷和凸肩的初始緊度作用下，凸肩會在長、短軸方向都發(fā)生錯位變形，具體表現(xiàn)為：

圖11 凸肩局部坐標(biāo)系

表2 凸肩工作面盆側(cè)凸肩位移 mm

（1）凸肩長軸方向發(fā)生盆側(cè)凸肩尖部變形錯位突出，會導(dǎo)致盆側(cè)凸肩尖部不發(fā)生接觸，磨痕較輕，與工作面磨痕檢查結(jié)果一致；

（2）凸肩短軸方向發(fā)生盆側(cè)凸肩上側(cè)變形錯位突出，會導(dǎo)致其工作面上側(cè)不發(fā)生接觸，磨痕較輕，與工作面磨痕檢查結(jié)果一致；

（3）由于凸肩長、短軸方向的位移，導(dǎo)致凸肩主要在盆側(cè)凸肩下側(cè)靠近尖部接觸，靠近裂紋起始位置出現(xiàn)擠壓應(yīng)力集中。

4 凸肩初始裝配錯位影響

斷口分析檢查表明裂紋的凸肩工作面存在初始裝配錯位。根據(jù)磨痕得到錯位方式和尺寸，建立凸肩工作面接觸模型，如圖12所示。計(jì)算得到初始裝配錯位情況下的凸肩工作面擠壓應(yīng)力分布，如圖13所示。錯位和未錯位時(shí)出現(xiàn)裂紋凸肩工作面擠壓應(yīng)力對比見表3。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，由于初始裝配的錯位，使工作面的整個(gè)軸向錯位變形更加嚴(yán)重，導(dǎo)致工作面擠壓應(yīng)力發(fā)生變化，工作面上部分都不接觸；同時(shí)由于軸向錯位加劇，擠壓應(yīng)力集中程度增加。

圖12 錯位模型的凸肩有限元計(jì)算模型

圖13 錯位模型的凸肩工作擠壓應(yīng)力分布

表3 初始裝配錯位和未錯位時(shí)凸肩工作面擠壓應(yīng)力對比

根據(jù)計(jì)算對比結(jié)果，凸肩工作面的初始裝配錯位進(jìn)一步加劇了裂紋源位置的擠壓應(yīng)力集中，使擠壓應(yīng)力從139MPa增至267MPa，增幅達(dá)到92%。

5 凸肩工作面邊緣倒角影響

由裂紋斷口分析發(fā)現(xiàn)，凸肩工作面與上、下表面的倒角非常小，小于設(shè)計(jì)要求；同時(shí)工作面擠壓應(yīng)力分析表明在工作面下側(cè)邊緣存在擠壓應(yīng)力集中，因此，工作面邊緣倒角可能影響擠壓應(yīng)力的集中程度。

針對此情況，并考慮檢查發(fā)現(xiàn)的初始裝配錯位情況，建立存在初始錯位并且無工作面邊緣倒角情況下的凸肩接觸計(jì)算模型，如圖14所示。根據(jù)模型計(jì)算得到凸肩工作面擠壓應(yīng)力分布如圖15所示，與有倒角情況下凸肩工作面擠壓應(yīng)力對比見表4。從應(yīng)力分布和擠壓應(yīng)力對比可見，當(dāng)凸肩工作面邊緣無倒角時(shí)，最大擠壓應(yīng)力從267MPa增至336MPa，增幅為26%，擠壓應(yīng)力集中程度進(jìn)一步加劇。

圖14 錯位并無倒角模型的凸肩有限元計(jì)算模型

圖15 錯位并無倒角模型的凸肩工作擠壓應(yīng)力分布

根據(jù)計(jì)算對比結(jié)果，存在裂紋的凸肩工作面邊緣倒角較小會導(dǎo)致裂紋起源位置的擠壓應(yīng)力集中進(jìn)一步加劇，最高增幅達(dá)26%。

6 結(jié)論

根據(jù)檢查和分析結(jié)果，得出凸肩工作面出現(xiàn)裂紋的原因如下：

（1）凸肩工作面上的裂紋為疲勞裂紋，疲勞起源于靠近凸肩下表面轉(zhuǎn)接區(qū)的凸肩工作面表面；

（2）在風(fēng)扇葉片工作載荷和凸肩初始緊度共同作用下，在凸肩工作面長、短軸方向發(fā)生變形錯位，導(dǎo)致凸肩工作面接觸不均勻，在裂紋源附近位置產(chǎn)生一定的擠壓應(yīng)力集中；

（3）凸肩工作面的初始裝配錯位導(dǎo)致裂紋源附近擠壓應(yīng)力集中程度增加；

（4）凸肩工作面與下表面的倒角較小，進(jìn)一步加劇了裂紋源附近擠壓應(yīng)力集中程度；

（5）較大的擠壓應(yīng)力集中導(dǎo)致裂紋源部位凸肩表面耐磨層出現(xiàn)微裂紋，擴(kuò)展形成初始裂紋。

綜上所述，初始裂紋產(chǎn)生的主要原因?yàn)橥辜绻ぷ髅娴木植繑D壓應(yīng)力過大，而工作面擠壓應(yīng)力集中主要由于風(fēng)扇工作載荷和凸肩接觸面的初始緊度共同作用下產(chǎn)生的凸肩變形錯位導(dǎo)致的，為了避免類似情況再次發(fā)生，可以進(jìn)行預(yù)變形設(shè)計(jì)，增大接觸面積，減小擠壓應(yīng)力集中程度并使應(yīng)力集中位置位于工作面中部；同時(shí)保證凸肩裝配精度和凸肩工作面邊緣的倒角尺寸，防止擠壓應(yīng)力集中進(jìn)一步增加；并且提高耐磨層的抗擠壓能力。

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