劉高揚(yáng) , 陳 星 ,2,3,4,5, 朱定金 , 劉新靈 ,2,3,4,5, 劉春江 ,2,3,4,5, 劉昌奎 ,2,3,4,5
(1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院,北京 100095;2.航空工業(yè)失效分析中心,北京 100095;3.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100095;4.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100095;5.材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100095;6.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所,江西 景德鎮(zhèn) 333001)
直升機(jī)具有垂直升降、懸停、小速率向前或向后飛行的特點(diǎn),是典型軍民兩用產(chǎn)品,旋翼槳葉作為直升機(jī)的主要部件,高速轉(zhuǎn)動(dòng)的主槳葉與氣流形成相對(duì)運(yùn)動(dòng),使槳葉上表面產(chǎn)生負(fù)壓,槳葉下表面產(chǎn)生正壓,壓力差值為槳葉提供向上的氣動(dòng)力。自動(dòng)傾斜器操縱使得旋翼產(chǎn)生合力,為直升機(jī)提供升力和各類運(yùn)動(dòng)操縱力。由于工作環(huán)境、受力狀態(tài)、內(nèi)部構(gòu)造、載荷譜等惡劣且復(fù)雜,這些特點(diǎn)決定了槳葉容易產(chǎn)生疲勞破壞,進(jìn)而嚴(yán)重威脅飛行器的安全使用和經(jīng)濟(jì)損失[1]。
一般來(lái)說(shuō),結(jié)構(gòu)的壽命主要取決于主槳葉危險(xiǎn)部位裂紋的萌生與擴(kuò)展,而一般外場(chǎng)飛行的載荷譜復(fù)雜多變,隨機(jī)性強(qiáng)。必須通過(guò)飛行使用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)編制飛行譜。按飛行譜的飛行狀態(tài)進(jìn)行飛行載荷實(shí)測(cè),然后編制實(shí)測(cè)載荷譜;因此很難合理給定槳葉的載荷譜。而載荷譜對(duì)直升機(jī)槳葉壽命影響又非常顯著。合理的給出載荷譜與斷口典型特征的關(guān)聯(lián)性是評(píng)價(jià)構(gòu)件裂紋擴(kuò)展損傷行為和擴(kuò)展壽命的關(guān)鍵。目前的研究大多集中在構(gòu)件的壽命試驗(yàn)[1]以及斷裂的定性分析,在金屬構(gòu)件簡(jiǎn)單載荷譜疲勞斷裂方面,國(guó)內(nèi)外已有很多研究[2-7],對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)和復(fù)雜載荷譜的定量分析鮮有報(bào)道。通過(guò)斷口定量分析可獲得構(gòu)件實(shí)際服役過(guò)程中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率,不但對(duì)深入分析失效原因提供重要依據(jù)和數(shù)據(jù),還可實(shí)現(xiàn)零部件疲勞壽命評(píng)估,確定構(gòu)件形成裂紋的時(shí)間,評(píng)價(jià)其制造質(zhì)量、檢測(cè)周期的合理性,為外場(chǎng)定檢和定壽提供保障,解決工程實(shí)際故障和問(wèn)題[2-4]。
主槳葉大梁服役800 h 多后發(fā)生斷裂,材料為L(zhǎng)D2 鋁合金,表面經(jīng)玻璃噴丸處理。在斷裂過(guò)程中,當(dāng)槳葉大梁裂紋穿透壁厚時(shí),壓力傳感器無(wú)壓差告警,引起后續(xù)大梁的持續(xù)擴(kuò)展直至斷裂。本研究對(duì)飛機(jī)載荷譜進(jìn)行剖析,對(duì)大梁斷口開展宏微觀觀察和斷口定量分析,給出大梁在不同階段的擴(kuò)展速率,并通過(guò)大梁模擬試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,以獲得主槳葉大梁疲勞裂紋擴(kuò)展壽命和萌生壽命,彌補(bǔ)外場(chǎng)監(jiān)測(cè)不到位的不足,為排故提供方向,為主槳葉大梁壽命評(píng)估和設(shè)制定檢周期服務(wù),為大梁損傷容限進(jìn)行評(píng)價(jià)。
疲勞斷裂過(guò)程可表述為在周期循環(huán)載荷作用下,零件的關(guān)鍵部位材料微觀塑性變形、出現(xiàn)微裂紋、微裂紋緩慢擴(kuò)展、形成可檢的宏觀裂紋、擴(kuò)展直至長(zhǎng)裂紋、最后發(fā)生斷裂。整個(gè)斷裂過(guò)程分別對(duì)應(yīng)疲勞源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)[3-4]。
斷口定量分析是通過(guò)對(duì)斷口特征的定量描述,將斷口特征與材料的力學(xué)性能及斷裂過(guò)程的各種參數(shù)建立起關(guān)系,著重于估算失效因素的程度,如失效應(yīng)力大小、疲勞壽命長(zhǎng)短等,目的在于確定深層次的失效原因,提出有針對(duì)性的改進(jìn)方向和預(yù)防措施,確定零部件的可靠壽命與檢修周期,也可以在構(gòu)件使用前給出安全性和可靠性的評(píng)價(jià)[3-4]。據(jù)統(tǒng)計(jì),結(jié)構(gòu)部件失效事故中疲勞斷裂模式約占80%。疲勞斷裂過(guò)程一般包括裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展及斷裂。在這3 個(gè)階段中,特別是前兩個(gè)階段,疲勞斷口上可能形成疲勞弧線、疲勞小弧線、疲勞條帶、疲勞臺(tái)階臨界裂紋長(zhǎng)度、瞬斷區(qū)面積大小等參量,而定量分析的原理就是針對(duì)以上特征的定量關(guān)系,進(jìn)而推導(dǎo)構(gòu)件斷裂過(guò)程的擴(kuò)展壽命、萌生壽命、萌生應(yīng)力等,并建立與故障失效原因的關(guān)聯(lián),為故障原因的查找提供有力數(shù)據(jù)支撐。
在疲勞斷口定量分析時(shí),最關(guān)鍵是分析斷裂特征的變化規(guī)律與試驗(yàn)條件間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,進(jìn)而確定疲勞斷口定量分析所需的疲勞特征參量,并選用合適的疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN 的數(shù)學(xué)表達(dá)式或定量反推模型,對(duì)用于定量的特征進(jìn)行分析,確定用于定量分析的特征與壽命之間的關(guān)系[3-4]。
疲勞裂紋擴(kuò)展速率可表述:在疲勞交變載荷作用下,每個(gè)循環(huán)的平均裂紋擴(kuò)展量可表示為da/dN。每個(gè)循環(huán)可以是一個(gè)應(yīng)力循環(huán),也可以是一個(gè)譜塊循環(huán)。根據(jù)具體的加載條件和規(guī)律的疲勞特征,裂紋擴(kuò)展速率參量可選擇疲勞條帶、疲勞小弧線、疲勞弧線等。完整的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線見(jiàn)圖1,根據(jù)擴(kuò)展速率特點(diǎn),可分為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)[3-4]。Paris 公式 da /dN=c(ΔK)n只適用于中部區(qū)和含裂紋構(gòu)件的剩余壽命,當(dāng)存在較高 ΔK值和壽命較短時(shí),Paris 公式估算可獲得較精準(zhǔn)的壽命結(jié)果,而長(zhǎng)壽命區(qū)估算結(jié)果相對(duì)保守。Paris 公式和梯形法計(jì)算的結(jié)果非常接近,可以因使用的方便性確定具體采用某種模型[5]。
圖1 疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線Fig.1 Fatigue crack growth rate curve
全尺寸疲勞試驗(yàn)件或工程構(gòu)件往往承受載荷譜應(yīng)力,又由于其結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性,具有與簡(jiǎn)單疲勞試驗(yàn)不同的斷口特征和斷裂方式。通過(guò)斷口反推的方法測(cè)量構(gòu)件在實(shí)際工作中的疲勞裂紋擴(kuò)展曲線,確定構(gòu)件形成裂紋的時(shí)間,可以確定事故的原因和載荷類型,并確定安全的飛行壽命[6-12]。
在開展整機(jī)疲勞試驗(yàn)的過(guò)程中,往往是以一個(gè)起落甚至若干起落為一循環(huán)周期,也稱為載荷譜塊,每一起落中又包括若干載荷循環(huán),也就是循環(huán)周期-起落-載荷循環(huán)的層次關(guān)系。產(chǎn)生的疲勞特征一般是疲勞弧線、疲勞小弧線和疲勞條帶(圖2)。
通過(guò)對(duì)試驗(yàn)件交替施加隨機(jī)譜和等幅譜,且記錄隨機(jī)譜的起落和等幅譜的循環(huán)次數(shù)試驗(yàn)已經(jīng)證明:疲勞弧線是由不同的循環(huán)周期或起落產(chǎn)生的,且疲勞弧線與循環(huán)周期之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系;疲勞小弧線則是由不同的起落中的較大動(dòng)作產(chǎn)生的,且疲勞小弧線與較大動(dòng)作之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系;而疲勞條帶則是由一個(gè)起落內(nèi)的不同載荷循環(huán)產(chǎn)生的,由于載荷幅值的大小不斷變化,裂紋存在加速和閉合效應(yīng),疲勞條帶數(shù)量與載荷循環(huán)次數(shù)之間不存在有規(guī)律的對(duì)應(yīng)關(guān)系[6-12]。
主槳葉大梁故障件從下翼面和后緣轉(zhuǎn)接位置缺口起源,先穿透壁厚,然后沿下翼面和后緣2 個(gè)方向擴(kuò)展,整個(gè)斷口均可見(jiàn)大量的疲勞弧線和疲勞條帶特征(圖3)。
首先對(duì)主槳葉大梁設(shè)計(jì)工況載荷譜進(jìn)行分析[9-14]。
1)停地工況,承受800 N·m 級(jí)別的靜態(tài)揮舞彎矩,源區(qū)位置應(yīng)力約為-20 MPa。
2)空中慢車工況,在工況1 基礎(chǔ)上疊加離心力(154 kN),源區(qū)位置應(yīng)力約為60 MPa。
3)飛行工況,在工況1、工況2 基礎(chǔ)上:a)疊加揮舞和擺振彎矩、扭矩、切力(靜、動(dòng)載荷,動(dòng)載荷較大,揮舞彎矩占主要成份,擺振彎矩占次要成份,約差1 個(gè)數(shù)量級(jí));b)扭矩、切力的應(yīng)力貢獻(xiàn)較?。籧)揮舞動(dòng)彎矩以1 Ω(3.53 Hz)成份為主,和少量2、6 Ω 成份;d)源區(qū)位置應(yīng)力以拉-拉為主。
4)每起落由工況1~工況2~工況3~工況2~工況1 組成(圖4)。
圖2 疲勞弧線、疲勞小弧線、疲勞條帶特征Fig.2 Fatigue curve, fatigue small curve, and fatigue stripe characteristic
按每個(gè)起落飛行時(shí)間相同進(jìn)行估算,每個(gè)起落的飛行時(shí)間為0.285 h,每個(gè)起落以1 Ω 為主時(shí)的循環(huán)次數(shù)為3622 次,所以主槳葉大梁的服役總壽命為867 h(3037 起落),包含1.1×107循環(huán)次數(shù)。結(jié)合設(shè)計(jì)給定的載荷譜,較大載荷狀態(tài)為起落,且并無(wú)其他較大飛行動(dòng)作引起弧線特征,分析認(rèn)為疲勞弧線擴(kuò)展存在一定的規(guī)律,弧線與起落存在對(duì)應(yīng)關(guān)系,所以對(duì)主槳葉大梁進(jìn)行斷口定量分析時(shí)采用疲勞弧線參量。
圖3 主槳葉大梁斷口形貌Fig.3 Fracture morphology of main blade girder
圖4 每個(gè)起落應(yīng)力示意圖Fig.4 Diagram of each rise and fall stress
對(duì)主槳葉大梁斷口進(jìn)行宏微觀觀察可知:斷口從源區(qū)至疲勞裂紋穿透壁厚深度為4.877 mm,可見(jiàn)17 條疲勞弧線,弧線間距為0.152~0.605 mm;之后裂紋沿大梁兩側(cè)長(zhǎng)度方向擴(kuò)展,均可見(jiàn)23 條弧線,擴(kuò)展中期疲勞弧線間距較穩(wěn)定(17 條弧線),擴(kuò)展后期速率相對(duì)較快,間距較寬(6 條弧線),沿長(zhǎng)度方向擴(kuò)展的疲勞弧線間距為0.425~11.178 mm(圖5)。由于裂紋擴(kuò)展后期為不穩(wěn)定期,斷面上的弧線除了由起落產(chǎn)生外,導(dǎo)致其他與起落沒(méi)有對(duì)應(yīng)關(guān)系的大應(yīng)力變化也會(huì)產(chǎn)生,該區(qū)域存在6 個(gè)弧線特征,理論上不大于6 個(gè)起落??芍鳂~大梁從源區(qū)至穿透壁厚深度的疲勞擴(kuò)展壽命最多為17 個(gè)起落,從穿透壁厚至最后斷裂的疲勞擴(kuò)展壽命最多為23 個(gè)起落,從源區(qū)至最后斷裂的疲勞擴(kuò)展壽命最多為40 個(gè)起落,萌生壽命最早為2097起落。
圖5 主槳葉大梁故障斷口疲勞弧線擴(kuò)展速率曲線Fig.5 Fracture fatigue arc expansion rate curve of main blade girder
目前,疲勞斷口的定量分析主要從兩方面進(jìn)行研究并形成工程方法,一是采用模擬試驗(yàn)和歸納的方法,二是采用理論指導(dǎo)下的試驗(yàn)分析方法[3-17]。
為了更進(jìn)一步確認(rèn)主槳葉大梁斷口特征與載荷譜之間的關(guān)聯(lián)性,給出大梁擴(kuò)展壽命及定檢周期,開展相關(guān)的模擬裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)。主槳葉大梁模擬件疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)過(guò)程為預(yù)置缺口→等幅擴(kuò)展至壁厚穿透(5.3 萬(wàn)次)→載荷調(diào)試→塊譜加載(10 塊)→停止。其中,模擬塊譜加載(圖6)類似一個(gè)三角波,在每個(gè)加載點(diǎn)均為離心力和揮舞擺振靜載荷+揮舞擺振動(dòng)載荷,均為交變載荷,與故障大梁承受的一個(gè)理論起落載荷譜曲線類似。
主槳葉大梁模擬件從下翼面和后緣轉(zhuǎn)接位置預(yù)置缺口起源,先穿透壁厚,然后沿下翼面和后緣2 個(gè)方向擴(kuò)展。穿透壁厚之后,斷口上可見(jiàn)11 條弧線,其中第1 條弧線為裂紋穿透時(shí)的分界線,在斷口上沿下翼面?zhèn)群秃缶墏?cè)均分別記做第0 條弧線,沿著下翼面和后緣方向分別對(duì)第1~10 條弧線間距進(jìn)行測(cè)量(圖7),并計(jì)算出第n 條弧線距缺口中部的距離和裂紋總長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)。將斷口定量分析的數(shù)據(jù)與裂紋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,曲線見(jiàn)圖8。由結(jié)果可知,排除表面裂紋測(cè)量和心部主裂紋擴(kuò)展路徑測(cè)量的不同外,模擬件壽命斷口定量分析結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果完全吻合。
圖6 模擬試驗(yàn)1 個(gè)塊譜曲線Fig.6 A simulation block spectrum curve
圖7 模擬件斷口疲勞弧線與塊譜的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.7 Relationship between fracture fatigue curve and common spectrum of simulated parts
圖8 模擬件和故障件后緣側(cè)裂紋擴(kuò)展速率對(duì)比曲線Fig.8 Comparison curve of crack growth rate at the rear edge of the simulated and the fault part
對(duì)模擬件和故障件斷口進(jìn)行比對(duì)分析,可知2 件斷口均從下翼面和后緣轉(zhuǎn)接位置起源,先穿透壁厚,然后沿下翼面和后緣兩個(gè)方向擴(kuò)展,穿透壁厚之后均可見(jiàn)疲勞弧線和疲勞條帶特征,且疲勞弧線間距逐漸增加。不同點(diǎn)是,模擬件斷口上弧線明顯清晰可見(jiàn),且較故障件斷面上弧線間距明顯更寬,按弧線反推模擬件擴(kuò)展速率明顯較故障件擴(kuò)展速率更快。
對(duì)主槳葉大梁模擬件斷口弧線間的疲勞特征與塊譜交變載荷進(jìn)行分析。每個(gè)塊譜交變載荷包括6 種載荷工況,將各工況由大到小排列可知,當(dāng)載荷幅值為1261、1062 N·m 時(shí)的循環(huán)累加占1 個(gè)塊譜循環(huán)總數(shù)的比例分別為38%、78%(表1);對(duì)后緣側(cè)穿透壁厚至停止試驗(yàn)弧線之間的疲勞條帶進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見(jiàn)表2,由結(jié)果可知,前8 條弧線間條帶數(shù)量約占1 個(gè)塊譜總循環(huán)數(shù)比例為30%~47%,接近載荷幅值為1261 N·m 時(shí)累計(jì)循環(huán)數(shù)占總數(shù)的比例38%(圖9)。分析認(rèn)為,主槳葉大梁模擬件發(fā)生裂紋擴(kuò)展的門檻值可能為1261 N·m 動(dòng)載荷,當(dāng)擴(kuò)展至后期,隨著裂紋的張口逐漸增加和結(jié)構(gòu)的改變,1062 N·m 動(dòng)載荷也發(fā)生裂紋擴(kuò)展。
表1 模擬塊譜載荷幅值循環(huán)累加及占1 個(gè)塊譜總循環(huán)數(shù)的比例Table 1 Radio of cycle accumulation of load amplitude of block spectrum to the total number of cycles of 1 block spectrum
表2 后緣側(cè)弧線間疲勞條帶數(shù)量及占1 個(gè)塊譜總循環(huán)數(shù)比例Table 2 The number of fatigue bands and the ratio of them to the total number of cycles in 1 block spectrum
圖9 主槳葉大梁模擬件發(fā)生裂紋擴(kuò)展的載荷門檻值Fig.9 Load threshold value of crack propagation in simulated beam with main blade girder
1)主槳葉大梁故障件從源區(qū)至穿透壁厚深度的疲勞擴(kuò)展壽命約為17 個(gè)起落,從穿透壁厚至最后斷裂的疲勞擴(kuò)展壽命約為23 個(gè)起落,從源區(qū)至最后斷裂的疲勞擴(kuò)展壽命約為40 個(gè)起落,萌生壽命約為2097 個(gè)起落。
2)采用疲勞弧線對(duì)外場(chǎng)使用的槳葉部件壽命定量分析,疲勞弧線與加載譜塊數(shù)量完全對(duì)應(yīng),效果良好,對(duì)故障大梁壽命反推進(jìn)行了驗(yàn)證。
3)故障主槳葉大梁的擴(kuò)展速率較模擬件擴(kuò)展速率略慢,彌補(bǔ)了外場(chǎng)監(jiān)測(cè)不到位的不足,為主槳葉大梁壽命評(píng)估和設(shè)制定檢周期服務(wù),可為大梁損傷容限進(jìn)行評(píng)價(jià),當(dāng)裂紋穿透壁厚壓力傳感器告警后的損傷容限周期至少為10 個(gè)起落。