廉變峰

（中國航發(fā)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

在飛機(jī)飛行過程中渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是重要的動(dòng)力裝置，其會吸入一些外來物，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片受外物撞擊損傷時(shí)，如果外來物為鳥，這種情況下將其作為軟物撞擊，如果外來物為砂礫，石塊等為硬物撞擊，如果外來物為冰雹、冰塊，其面臨硬物損傷或軟物損傷是與冰塊的強(qiáng)度相關(guān)的。當(dāng)外界環(huán)境溫度較高時(shí)，冰塊硬度低為軟物反制為硬物，由于外來物導(dǎo)致的損壞，可將其作為外物損傷。當(dāng)前全球航空發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范中，針對葉片抗外物損傷進(jìn)行了準(zhǔn)確規(guī)定，因此針對葉片外物損傷的相關(guān)研究，其對于航空發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行具有十分重要的意義。

1 葉片鳥撞擊損傷

對于航空發(fā)動(dòng)機(jī)鳥撞擊葉片損傷，其是由于外物損傷使飛機(jī)發(fā)生事故的主要影響因素，鳥類在飛行過程中會被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)中，只有會對航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的葉片和風(fēng)扇。通常，所吸入的發(fā)動(dòng)機(jī)流速為每秒100~300米，基于這種較快的速度下要具有較高動(dòng)能，當(dāng)其撞擊葉片會導(dǎo)致葉片形成變形，甚至還會使葉片存在塑性變形，導(dǎo)致葉片局部凹陷引發(fā)葉根變形，由于鳥撞擊葉片會形成一系列的破壞和變形，進(jìn)而使航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子處于失衡狀態(tài)，無法確保時(shí)間正常運(yùn)行，因此鳥撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)葉片形成的損傷將會從一定程度上影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。

1.1 理論研究

在空中處于飛行狀態(tài)，鳥將其吸入航空發(fā)動(dòng)機(jī)后由于高速轉(zhuǎn)動(dòng)的液壓氣機(jī)，葉片和風(fēng)扇受到的切割作用會使葉片產(chǎn)生一系列的損傷和變形。為計(jì)算和響應(yīng)鳥撞擊葉片，需要通過鳥狀的葉片切割模型進(jìn)行載荷模型的確定。國外研究學(xué)者Boehman等人預(yù)估了鳥和冰撞擊結(jié)構(gòu)等模型，如果忽略鳥類與葉片之間的摩擦作用力以及兩者之間的切割作用力，構(gòu)建鳥類撞擊葉片的模型，此時(shí)僅需結(jié)合鳥被切割不同部位的質(zhì)量、大小，當(dāng)前可利用橢球體和圓柱體這兩種模擬鳥模型。除此之外，在20世紀(jì)70年代，Barbr等人利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析鳥類撞擊飛機(jī)的具體過程，構(gòu)建相應(yīng)的載荷模型，指出當(dāng)鳥飛行速度高于每秒50米時(shí)，在撞擊的過程中會發(fā)生流變，主要由于鳥體減速會形成較大應(yīng)力，其是高于鳥體本身屈服強(qiáng)度的。鳥撞擊為一種非恒定流體動(dòng)力學(xué)過程，從一定程度上來看，鳥撞擊載荷是流體與靶體中的鳥張極靶體共存在4個(gè)過程，具體涉及初始撞擊，壓力衰減，流動(dòng)恒定以及流動(dòng)結(jié)束過程。在本研究中使用孔隙率為10%的明膠，并將其制作2:1長徑比的圓柱體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，如下所示為鳥撞擊靶體的4個(gè)階段圖。

圖1 鳥撞擊靶體的4個(gè)階段圖

1.2 計(jì)算過程

為計(jì)算葉片鳥撞擊過程需依靠強(qiáng)大計(jì)算功能的工具，同時(shí)還需要利用鳥撞擊時(shí)間作為前提，準(zhǔn)確描述鳥撞擊的物理過程，所以現(xiàn)在計(jì)算機(jī)發(fā)展和應(yīng)用有限緣法逐漸體現(xiàn)其數(shù)值計(jì)算優(yōu)勢，目前，有限元分析法融合了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，輔助制造軟件等，這些方法可用于分析計(jì)算鳥撞擊損傷。在鳥撞擊葉片損傷模型計(jì)算中，20世紀(jì)80年代由南京航空航天大學(xué)研究學(xué)者開展大量分析，具體涉及多葉片及整機(jī)風(fēng)扇葉片的雙擊瞬帶響應(yīng)，以及平板葉片鳥撞擊聲的響應(yīng)，近年來研究學(xué)者提出可采用計(jì)算機(jī)軟件，即DYTRAN等計(jì)算整機(jī)風(fēng)扇葉片、多葉片及單葉片，單鳥、群鳥等撞擊響應(yīng)反饋模型，并基于此獲得了大量成果。此外，近年來在葉片鳥撞擊計(jì)算中，研究學(xué)者提出也可采用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)法進(jìn)行分析，國外研究學(xué)者JetelIier等人利用有限元軟件構(gòu)建葉片模型。同時(shí)采用SPH針對鳥體構(gòu)建模型，能夠融合SPH與有限元兩種計(jì)算方法，由于無網(wǎng)格法無需借助網(wǎng)格。尤其在網(wǎng)格移動(dòng)和即便問題中具有顯著優(yōu)勢，因此可將無網(wǎng)格法用于分析鳥撞擊葉片模型中[1]。

1.3 實(shí)驗(yàn)分析

鳥撞擊葉片的實(shí)驗(yàn)是撞擊損傷機(jī)制研究的重要途徑，可結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件將其分為不同狀態(tài)，包括單葉片靜止（旋轉(zhuǎn)）狀態(tài)，整機(jī)輪盤，旋轉(zhuǎn)狀態(tài)整機(jī)輪盤以及整機(jī)吞咽實(shí)驗(yàn)等，可將外物發(fā)射器，防護(hù)裝置，葉片事件，固持裝置測速儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)所需要的設(shè)備和儀器，國外研究學(xué)者 R OB ert等人闡述了多種葉片鳥撞擊的計(jì)算分析，通過研究提出不同類型的葉片涉及三種發(fā)動(dòng)機(jī)，一級轉(zhuǎn)子葉片和不同尺寸平板可用于模擬鳥的飛行方向，包括斜方向、正方向，以分析方向?qū)τ谌~片位置的撞擊影響，葉片狀態(tài)包含靜止?fàn)顟B(tài)，旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，不分級及等級旋轉(zhuǎn)，可清楚記錄材料應(yīng)變及葉片損傷情況[2]。

2 葉片并損傷

在飛機(jī)飛行過程中經(jīng)常會穿越冰雹區(qū)域，進(jìn)而可能會面臨冰雹撞擊飛機(jī)的問題，目前可通過氣象預(yù)測的方式繞過冰雹區(qū)域，一般來說這種問題無法完全避免。但有時(shí)無法避免。在20世紀(jì)50年代，美國研究學(xué)者對冰雹撞擊飛機(jī)影響進(jìn)行深入分析，提出冰塊由于其硬度不同，可將其作為轉(zhuǎn)物或硬物，作為軟物撞擊時(shí)，其葉片形態(tài)會出現(xiàn)與鳥類似的流變，而當(dāng)冰塊作為硬物撞擊時(shí)，葉片損傷主要位于初始撞擊區(qū)域，相對來說金屬具有良好延展性，不同硬度的冰塊經(jīng)撞擊后會被破碎為小冰塊。在1974年Johns等人分析了兩種復(fù)合材料風(fēng)扇葉片實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用的撞擊物包括25.4毫米直徑的冰球凝膠與有機(jī)硅膠泡沫材料混合物，小沙粒等。 Cook等人利用石墨環(huán)氧樹脂材料進(jìn)行外物撞擊實(shí)驗(yàn)，分析其外物為冰鋼彈球形凝膠并比較損傷前后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出小尺寸及完整尺寸試件具備縮放性。Reddy等人分析鳥撞擊葉片的相關(guān)損傷，利用軟件blasim進(jìn)行計(jì)算分析[3]。

3 硬外物損傷葉片研究

當(dāng)硬物損傷航空發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，其會附著于低溫端風(fēng)扇、工作葉片和壓氣機(jī)整流葉片中，通常，硬物撞擊會使發(fā)動(dòng)機(jī)葉片前緣受到損傷，具體表現(xiàn)為撕裂，缺口，凹坑等，甚至還會導(dǎo)致熱脹，突層受損，葉片前緣裂痕，長久下去會導(dǎo)致疲勞裂縫的產(chǎn)生，進(jìn)而影響葉片壽命[4]。在葉片硬物損傷研究中，通過分析發(fā)現(xiàn)葉片與軟物撞擊前后的損傷情況基本一致，此外需關(guān)注損傷對于疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生的影響。Kaufman等人對外物損傷部位類型對于疲勞強(qiáng)度的影響。1980年由Nscholas等人分析鈦合金受到硬物損傷后產(chǎn)生的影響，并進(jìn)一步定量分析外物損傷的概念界定。除此之外，國內(nèi)外研究學(xué)者分析了不同葉片撞擊角度對于疲勞強(qiáng)度的影響，Chen等人針對外物對葉片撞擊損傷模型，采用有限元分析法分析了三種常見的外物損傷方式，計(jì)算殘余應(yīng)力。結(jié)合Nowell等人在分析過程中，采用分步加載的方式給該試件設(shè)定疲勞載荷數(shù)值，使其能夠處于損傷后的疲勞強(qiáng)度范圍。通過研究分析葉片受損的前緣范圍，沖擊角度以及葉片棱角產(chǎn)生的作用，研究表明葉片的損傷程度從一定程度上來看對于試件疲勞強(qiáng)度會產(chǎn)生較大影響[5]。

4 結(jié)語

總而言之，本研究針對當(dāng)前航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片外物損傷接著進(jìn)行深入探究，能夠從葉片鳥撞擊損傷，葉片冰損傷以及葉片硬外物損傷這三個(gè)方面進(jìn)行闡述。未來隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，需進(jìn)一步闡述葉片鳥撞擊外物損傷的仿真技術(shù)，新數(shù)值方法，應(yīng)用負(fù)荷材料本構(gòu)關(guān)系，進(jìn)而完善鳥撞擊損傷的相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，構(gòu)建葉片抗硬外物損傷準(zhǔn)則以及可維修準(zhǔn)則。