本發(fā)明涉及確定發(fā)動(dòng)機(jī)拉緊軸疲勞壽命的技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)拉緊軸疲勞試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的“心臟”，要確?！靶呐K”正常的工作，避免事故發(fā)生的前提條件和技術(shù)手段之一是保證發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)零部件安全可靠地運(yùn)行。航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇軸作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)動(dòng)零部件之一，它的可靠性對(duì)整個(gè)飛機(jī)的安全可靠運(yùn)行影響巨大。此外，大多數(shù)由機(jī)械故障導(dǎo)致的現(xiàn)代軍用戰(zhàn)斗機(jī)重大事故都與發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)，而近年來(lái)我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)零部件的失效率較高，由轉(zhuǎn)動(dòng)零部件失效都導(dǎo)致的事故已經(jīng)超過(guò)了重大飛機(jī)事故的80％，其中就包括轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中的軸類零件。因此，加強(qiáng)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的疲勞壽命研究成為了航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)強(qiáng)度穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的重要組成部分。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)試制過(guò)程中，對(duì)風(fēng)扇拉緊軸進(jìn)行模擬加載疲勞試驗(yàn)是一項(xiàng)重要的工作。風(fēng)扇轉(zhuǎn)子由三級(jí)工作輪和后軸組成，工作輪和后軸之間借助端齒和拉緊軸連接，在第i級(jí)輪盤和后軸變形確定的情況下，轉(zhuǎn)子的剛性由拉緊軸的拉緊確保。該型發(fā)動(dòng)機(jī)為長(zhǎng)壽命使用發(fā)動(dòng)機(jī)，風(fēng)扇拉緊軸的疲勞壽命水平對(duì)于評(píng)價(jià)整機(jī)使用壽命極其重要。因此需要對(duì)拉緊軸進(jìn)行低循環(huán)疲勞試驗(yàn)考核，通過(guò)試驗(yàn)檢驗(yàn)拉緊軸設(shè)計(jì)和加工是否具有足夠強(qiáng)度和在壽命期具有足夠的疲勞壽命。在發(fā)動(dòng)機(jī)上風(fēng)扇拉緊軸主要承受軸向載荷，其中軸向載荷主要由裝配拉緊力、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)離心力、氣動(dòng)載荷引起的軸向力組成。風(fēng)扇拉緊軸的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中d1、d2、d3分別表示不同部位的直徑。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明通過(guò)有限元計(jì)算方法與miner線性累積損傷理論，確定該型發(fā)動(dòng)機(jī)拉緊軸的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)載荷譜，基于循環(huán)載荷譜成功的開展風(fēng)扇拉緊軸的疲勞壽命試驗(yàn)研究，進(jìn)一步確定拉緊軸在標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)載荷下的安全使用壽命，提供一種試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單、試驗(yàn)效率高、對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件定壽提供重要參考依據(jù)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)拉緊軸疲勞試驗(yàn)方法。

本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：一種渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)拉緊軸疲勞試驗(yàn)方法，它包括以下步驟：

si、載荷建模分析：

si(1)、建立發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子強(qiáng)度計(jì)算有限元模型，其中葉片以平面應(yīng)力單元模擬，離心力和葉片軸向重心位置與三維模型等效，剩余轉(zhuǎn)子零件以軸對(duì)稱單元模擬；

si(2)、采用ansys軟件對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、裝配后預(yù)緊狀態(tài)、拉緊軸工作狀態(tài)進(jìn)行有限元分析，其中包含對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子裝配完成后的軸向位移、拉緊軸的軸向位移分布及應(yīng)力、工作狀態(tài)下風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的軸向位移、工作狀態(tài)下拉緊軸的軸向位移計(jì)算分析；

si(3)、ansys軟件計(jì)算結(jié)果表明，風(fēng)扇拉緊軸承受軸向載荷，其中軸向載荷由裝配拉緊力、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)離心力、氣動(dòng)載荷引起的軸向力組成，各相應(yīng)載荷作用下拉緊軸的變形量和應(yīng)力值如表1：

表1載荷作用下拉緊軸變形及應(yīng)力

si(4)、根據(jù)步驟si(3)中表1可知，拉緊軸向力理論載荷(系數(shù)修正前)為：理論載荷谷值：p1＝195.4kn；理論幅值：▽p＝32.6kn，理論載荷谷值和理論幅值分別對(duì)應(yīng)表1中最后一行的第一個(gè)數(shù)據(jù)和最后一個(gè)數(shù)據(jù)；

sii、計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)載荷譜：

sii(1)、理論載荷確定后，根據(jù)被試?yán)o軸試驗(yàn)件實(shí)際鍛件極限強(qiáng)度(σbs)和技術(shù)條件規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度值(σb)，用材料強(qiáng)度修正系數(shù)加大試驗(yàn)載荷的方法進(jìn)行修正，降低材料強(qiáng)度差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，修正系數(shù)k＝σbs/σb；

sii(2)、修正系數(shù)確定后，對(duì)試驗(yàn)理論幅值▽p進(jìn)行放大修正，軸向力幅值修正▽ps＝k·▽p；載荷峰值p2＝p1+▽ps，試驗(yàn)中材料強(qiáng)度修正系數(shù)按“斯貝mk202發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)(egd-3)”的方法確定，計(jì)算得出最終的軸向力幅值為▽ps＝33.2kn；

sii(3)、試驗(yàn)前，靜態(tài)加載軸向力至p1，記錄試驗(yàn)拉緊軸伸長(zhǎng)量，若伸長(zhǎng)量不滿足范圍1±0.03mm，則對(duì)試驗(yàn)載荷p1進(jìn)行調(diào)整并記錄，調(diào)整后載荷值作為試驗(yàn)實(shí)際谷值，試驗(yàn)峰值按載荷峰值計(jì)算公式調(diào)整；

sii(4)、完成載荷調(diào)整后，按標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)載荷譜試驗(yàn)，第一循環(huán)前0～p1加載過(guò)程按40～50s內(nèi)勻速加載完成，其余循環(huán)加卸載參數(shù)：t1＝3～5s，t2＝t4＝10s，t3＝25～30s；當(dāng)試驗(yàn)低周載荷循環(huán)數(shù)應(yīng)達(dá)到6000次循環(huán)時(shí)進(jìn)行檢查，檢查后進(jìn)行初步合格判定，隨后繼續(xù)試驗(yàn)至15000次循環(huán)；

siii、拉緊軸疲勞試驗(yàn)：

siii(1)、采用疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)拉緊軸進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，正式開始試驗(yàn)循環(huán)之前對(duì)拉緊軸進(jìn)行初始標(biāo)定，確定試驗(yàn)加載載荷；

siii(2)、進(jìn)行3次谷值到峰值，即p1→p2的連續(xù)靜態(tài)加載，每間隔5kn進(jìn)行一次測(cè)量，記錄試驗(yàn)拉緊軸應(yīng)變、伸長(zhǎng)量、軸向力數(shù)據(jù)；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)初始標(biāo)定結(jié)果，確定拉緊軸輸出拉緊軸向載荷如下：

p1＝195.4kn，對(duì)應(yīng)伸長(zhǎng)量δl1＝0.987mm(平均值)；p2＝228.6kn，對(duì)應(yīng)伸長(zhǎng)量δl2＝1.159mm(平均值)；軸向力載荷相對(duì)誤差不超過(guò)1％；

siii(3)、在6000、12000、15000、30000次循環(huán)結(jié)束時(shí)，進(jìn)行一次尺寸檢查、磁粉探傷，尺寸檢查結(jié)果如表2，表2中的前4次測(cè)試時(shí)間分別對(duì)應(yīng)拉緊軸在6000、12000、15000、30000次載荷循環(huán)工況時(shí)的測(cè)試結(jié)果，探傷后未發(fā)現(xiàn)裂紋，試驗(yàn)時(shí)工裝及試驗(yàn)零件變形均無(wú)異常，探傷后未發(fā)現(xiàn)裂紋，試驗(yàn)時(shí)工裝及試驗(yàn)零件變形均無(wú)異常；

表2拉緊軸尺寸檢查結(jié)果

siii(4)、由步驟siii(3)中表2可知被試?yán)o軸在該試驗(yàn)器上通過(guò)了30000次低循環(huán)，試驗(yàn)完成后對(duì)拉緊軸進(jìn)行尺寸及無(wú)損檢查，經(jīng)檢查后未出現(xiàn)有尺寸超出、螺紋斷扣、凸肩切入以及裂紋失效情況發(fā)生。

所述的步驟siii(2)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控、修正所加載的載荷大小，使之滿足試驗(yàn)要求的載荷允許誤差。

所述的步驟siii(3)中每次循環(huán)結(jié)束后重新開始試驗(yàn)時(shí)，對(duì)拉緊軸進(jìn)行重新標(biāo)定。

所述的步驟siii(3)中15000次循環(huán)結(jié)束后，根據(jù)試驗(yàn)件狀態(tài)增加15000次試驗(yàn)循環(huán)數(shù)以進(jìn)一步對(duì)拉緊軸進(jìn)行考核。

所述的步驟siii(1)中采用mts810-50t疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)拉緊軸進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本發(fā)明基于有限元方法和miner線性累積損傷理論，完成了某型發(fā)動(dòng)機(jī)拉緊軸的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)載荷譜。2、開展了某型發(fā)動(dòng)機(jī)拉緊軸的研究，完成了標(biāo)準(zhǔn)載荷譜的施加，結(jié)果表明試驗(yàn)中拉緊軸可承受30000次試驗(yàn)循環(huán)載荷數(shù)，試驗(yàn)之后經(jīng)檢查無(wú)裂紋、凸肩切入、螺紋斷扣等失效現(xiàn)象，故可認(rèn)為拉緊軸能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)全壽命周期使用，最后確定了拉緊軸在標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)載荷下的安全使用壽命。3、本發(fā)明將對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)及疲勞壽命分析提供依據(jù)，并且本方法能夠成功應(yīng)用到不同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制過(guò)程。

附圖說(shuō)明

圖1為風(fēng)扇拉緊軸的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子強(qiáng)度計(jì)算有限元模型圖；

圖3為風(fēng)扇轉(zhuǎn)子裝配完成后的軸向位移分布圖；

圖4為拉緊軸的軸向位移分布和應(yīng)力分布圖；

圖5為工作狀態(tài)下風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的軸向位移分布圖；

圖6為工作狀態(tài)下拉緊軸的軸向位移分布圖；

圖7標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)載荷譜圖；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述，本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于以下所述：

一種渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)拉緊軸疲勞試驗(yàn)方法，它包括以下步驟：

si、載荷建模分析：

si(1)、如圖2所示，建立發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子強(qiáng)度計(jì)算有限元模型，其中葉片以平面應(yīng)力單元模擬，離心力和葉片軸向重心位置與三維模型等效，剩余轉(zhuǎn)子零件以軸對(duì)稱單元模擬；

si(2)、采用ansys軟件對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、裝配后預(yù)緊狀態(tài)、拉緊軸工作狀態(tài)進(jìn)行有限元分析，其中包含對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子裝配完成后的軸向位移、拉緊軸的軸向位移分布及應(yīng)力、工作狀態(tài)下風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的軸向位移、工作狀態(tài)下拉緊軸的軸向位移計(jì)算分析；其中圖3為風(fēng)扇轉(zhuǎn)子裝配完成后的軸向位移分布圖，圖4為拉緊軸的軸向位移分布及應(yīng)力分布圖，圖5為工作狀態(tài)下風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的軸向位移分布圖，圖6為工作狀態(tài)下拉緊軸的軸向位移分布圖；

si(3)、ansys軟件計(jì)算結(jié)果表明，風(fēng)扇拉緊軸承受軸向載荷，其中軸向載荷由裝配拉緊力、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)離心力、氣動(dòng)載荷引起的軸向力組成，各相應(yīng)載荷作用下拉緊軸的變形量和應(yīng)力值如表1：

表1載荷作用下拉緊軸變形及應(yīng)力

si(4)、根據(jù)步驟si(3)中表1可知，拉緊軸向力理論載荷(系數(shù)修正前)為：理論載荷谷值：p1＝195.4kn；理論幅值：▽p＝32.6kn，理論載荷谷值和理論幅值分別對(duì)應(yīng)表1中最后一行的第一個(gè)數(shù)據(jù)和最后一個(gè)數(shù)據(jù)；

sii、計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)載荷譜：

sii(1)、理論載荷確定后，根據(jù)被試?yán)o軸試驗(yàn)件實(shí)際鍛件極限強(qiáng)度(σbs)和技術(shù)條件規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度值(σb)，用材料強(qiáng)度修正系數(shù)加大試驗(yàn)載荷的方法進(jìn)行修正，降低材料強(qiáng)度差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，修正系數(shù)k＝σbs/σb；

sii(2)、修正系數(shù)確定后，對(duì)試驗(yàn)理論幅值▽p進(jìn)行放大修正，軸向力幅值修正▽ps＝k·▽p；載荷峰值p2＝p1+▽ps，試驗(yàn)中材料強(qiáng)度修正系數(shù)按“斯貝mk202發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)(egd-3)”的方法確定，計(jì)算得出最終的軸向力幅值為▽ps＝33.2kn；

sii(3)、試驗(yàn)前，靜態(tài)加載軸向力至p1，記錄試驗(yàn)拉緊軸伸長(zhǎng)量，若伸長(zhǎng)量不滿足范圍1±0.03mm，則對(duì)試驗(yàn)載荷p1進(jìn)行調(diào)整并記錄，調(diào)整后載荷值作為試驗(yàn)實(shí)際谷值，試驗(yàn)峰值按載荷峰值計(jì)算公式調(diào)整；

sii(4)、完成載荷調(diào)整后，按標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)載荷譜試驗(yàn)，即如圖7所示，第一循環(huán)前0～p1加載過(guò)程按40～50s內(nèi)勻速加載完成，其余循環(huán)加卸載參數(shù)：t1＝3～5s，t2＝t4＝10s，t3＝25～30s；當(dāng)試驗(yàn)低周載荷循環(huán)數(shù)應(yīng)達(dá)到6000次循環(huán)時(shí)進(jìn)行檢查，檢查后進(jìn)行初步合格判定，隨后繼續(xù)試驗(yàn)至15000次循環(huán)；

siii、拉緊軸疲勞試驗(yàn)：

siii(1)、采用疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)拉緊軸進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，正式開始試驗(yàn)循環(huán)之前對(duì)拉緊軸進(jìn)行初始標(biāo)定，確定試驗(yàn)加載載荷。為模擬拉緊軸考核部位的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力循環(huán)，應(yīng)保證疲勞試驗(yàn)機(jī)上的拉緊軸具有其在發(fā)動(dòng)機(jī)上飛行相同的邊界條件和載荷分布；邊界條件模擬的真實(shí)程度是試驗(yàn)成敗的關(guān)鍵因素，對(duì)邊界條件模擬考慮二個(gè)因素：即試驗(yàn)件在發(fā)動(dòng)機(jī)上的支承與聯(lián)結(jié)處的受力特點(diǎn)和被試件的支承剛性與幾何特征，力求達(dá)到在試驗(yàn)件實(shí)際工作中受力狀態(tài)的準(zhǔn)確再現(xiàn)。試驗(yàn)拉緊軸兩端使用發(fā)動(dòng)機(jī)上與拉緊軸配合的零件，結(jié)合試驗(yàn)轉(zhuǎn)接段模擬發(fā)動(dòng)機(jī)上的支撐狀態(tài)以及支點(diǎn)承力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝狀態(tài)的模擬。所述的疲勞試驗(yàn)機(jī)采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)包括：計(jì)算機(jī)、電阻應(yīng)變儀、測(cè)量電橋、直流穩(wěn)壓電源、位移傳感器等；

siii(2)、進(jìn)行3次谷值到峰值，即p1→p2的連續(xù)靜態(tài)加載，每間隔5kn進(jìn)行一次測(cè)量，記錄試驗(yàn)拉緊軸應(yīng)變、伸長(zhǎng)量、軸向力數(shù)據(jù)；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)初始標(biāo)定結(jié)果，確定拉緊軸輸出拉緊軸向載荷如下：

p1＝195.4kn，對(duì)應(yīng)伸長(zhǎng)量δl1＝0.987mm(平均值)；p2＝228.6kn，對(duì)應(yīng)伸長(zhǎng)量δl2＝1.159mm(平均值)；軸向力載荷相對(duì)誤差不超過(guò)1％；

siii(3)、在6000、12000、15000、30000次循環(huán)結(jié)束時(shí)，進(jìn)行一次尺寸檢查、磁粉探傷，尺寸檢查結(jié)果如表2，表2中的前4次測(cè)試時(shí)間分別對(duì)應(yīng)拉緊軸在6000、12000、15000、30000次載荷循環(huán)工況時(shí)的測(cè)試結(jié)果，探傷后未發(fā)現(xiàn)裂紋，試驗(yàn)時(shí)工裝及試驗(yàn)零件變形均無(wú)異常，探傷后未發(fā)現(xiàn)裂紋，試驗(yàn)時(shí)工裝及試驗(yàn)零件變形均無(wú)異常；

表2拉緊軸尺寸檢查結(jié)果

siii(4)、由步驟siii(3)中表2可知被試?yán)o軸在該試驗(yàn)器上通過(guò)了30000次低循環(huán)，試驗(yàn)完成后對(duì)拉緊軸進(jìn)行尺寸及無(wú)損檢查，經(jīng)檢查后未出現(xiàn)有尺寸超出、螺紋斷扣、凸肩切入以及裂紋失效情況發(fā)生。

所述的步驟siii(2)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控、修正所加載的載荷大小，使之滿足試驗(yàn)要求的載荷允許誤差。所述的步驟siii(3)中每次循環(huán)結(jié)束后重新開始試驗(yàn)時(shí)，對(duì)拉緊軸進(jìn)行重新標(biāo)定。所述的步驟siii(3)中15000次循環(huán)結(jié)束后，根據(jù)試驗(yàn)件狀態(tài)增加15000次試驗(yàn)循環(huán)數(shù)以進(jìn)一步對(duì)拉緊軸進(jìn)行考核。所述的步驟siii(1)中采用mts810-50t疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)拉緊軸進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

本次試驗(yàn)分析的主要結(jié)果為：1、本次拉緊軸疲勞試驗(yàn)后試驗(yàn)件達(dá)到規(guī)定的6000次目標(biāo)循環(huán)數(shù)，經(jīng)檢查無(wú)裂紋、凸肩切入、螺紋斷扣等失效現(xiàn)象，試驗(yàn)后尺寸符合圖紙要求，分析認(rèn)為該試驗(yàn)結(jié)果能夠保證一個(gè)翻修間隔1500次標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)/2000小時(shí)(1500次起落)的使用循環(huán)。2、本試驗(yàn)的試驗(yàn)件在試驗(yàn)過(guò)程中未出現(xiàn)失效，根據(jù)目前所達(dá)到的30000次試驗(yàn)循環(huán)數(shù)認(rèn)為可滿足發(fā)動(dòng)機(jī)全壽命周期使用。3、本次試驗(yàn)偏安全考慮，用材料強(qiáng)度修正系數(shù)加大試驗(yàn)載荷的方法只對(duì)試驗(yàn)載荷幅值進(jìn)行修正。4、風(fēng)扇拉緊軸相當(dāng)于聯(lián)結(jié)螺栓，其作用在于拉緊工作輪保證了風(fēng)扇轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)剛性，同時(shí)使ⅰ級(jí)盤和后軸有一定變形。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并非局限于本文所披露的形式，不應(yīng)看作是對(duì)其他實(shí)施例的排除，而可用于各種其他組合、修改和環(huán)境，并能夠在本文所述構(gòu)想范圍內(nèi)，通過(guò)上述教導(dǎo)或相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)或知識(shí)進(jìn)行改動(dòng)。而本領(lǐng)域人員所進(jìn)行的改動(dòng)和變化不脫離本發(fā)明的精神和范圍，則都應(yīng)在本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。