楊正偉,陳家威,李 胤,張 煒,謝星宇,張 杰

(1.火箭軍工程大學(xué) 導(dǎo)彈工程學(xué)院, 西安 710025;2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽 621000;3.廣州理工學(xué)院 智能制造與電氣工程學(xué)院, 廣州 510540)

0 引言

隨著我國(guó)綜合實(shí)力的提升,航空裝備領(lǐng)域的質(zhì)量可靠性愈加重要。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片作為發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件,其疲勞問題受到各國(guó)學(xué)者廣泛關(guān)注。在實(shí)際工況環(huán)境下,葉片受到多種復(fù)雜疲勞載荷的影響,其中葉片共振會(huì)加速部件的疲勞破壞,尤其是應(yīng)力集中區(qū)域的破壞已成為導(dǎo)致葉片疲勞斷裂或掉角的主要原因之一[1-3],因此,葉片結(jié)構(gòu)共振問題需重點(diǎn)關(guān)注。

在振動(dòng)疲勞試驗(yàn)中,傳統(tǒng)研究方法采用了接觸式手段,(如粘貼應(yīng)力應(yīng)變片、電阻應(yīng)變計(jì)以及安裝加速度傳感器等)研究振動(dòng)疲勞問題,但這種方法難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的在線監(jiān)測(cè),并且對(duì)結(jié)構(gòu)阻尼大小會(huì)產(chǎn)生一定的影響。因此,亟需探尋一種非接觸式可在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)疲勞的技術(shù)手段以解決該問題。目前,基于激光測(cè)振的位移測(cè)量方法作為主要非接觸式在線監(jiān)測(cè)手段,只是針對(duì)某一點(diǎn)(如葉尖)的振動(dòng)位移進(jìn)行測(cè)量,通過結(jié)構(gòu)固有頻率的變化,判斷其是否產(chǎn)生損傷或斷裂,但該方法難以預(yù)測(cè)葉片振動(dòng)過程中的應(yīng)力分布情況以及疲勞損傷位置[4-5]。Kelvin[6]最早發(fā)現(xiàn)材料疲勞過程與其溫度變化存在一定的關(guān)聯(lián)性,并提出了著名的熱彈性效應(yīng)理論。隨著疲勞能量理論的深入研究,人們認(rèn)識(shí)到疲勞過程實(shí)質(zhì)上是外界對(duì)材料做功,導(dǎo)致材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞,期間伴隨著能量的釋放。其中,熱耗散是最主要的形式,宏觀表現(xiàn)為材料表面的溫度變化;其次是儲(chǔ)能、聲發(fā)射和其他形式能量。近年來,紅外熱像法因具有非接觸、高精度、全場(chǎng)監(jiān)測(cè)、能夠精確捕捉材料表面溫度變化等特點(diǎn),在無損檢測(cè)和材料疲勞性能快速評(píng)估等工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[7-8]。

Luong等[9-10]與Risitano等[11-12]發(fā)現(xiàn)材料疲勞過程釋放的能量與施加應(yīng)力具有線性相關(guān)性,并通過紅外熱像法快速有效地評(píng)估了材料的疲勞極限,分別被命名為L(zhǎng)uong法與Rasitano法。該方法與傳統(tǒng)疲勞極限測(cè)試方法(如階梯法、單點(diǎn)法等)相比,能夠有效縮短時(shí)間,極大減少試驗(yàn)成本,可在一定程度上替代傳統(tǒng)疲勞極限測(cè)試方法。Toubal等[13]和Meneghetti等[14]在材料疲勞損傷擴(kuò)展階段,基于熱像法分別進(jìn)行了損傷演化過程的預(yù)測(cè)和裂紋尖端J積分的評(píng)估。但以上研究?jī)?nèi)容僅限于傳統(tǒng)拉壓疲勞,對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片,振動(dòng)疲勞是其主要失效模式。振動(dòng)疲勞以彈性應(yīng)變?yōu)橹饕卣?結(jié)構(gòu)表面溫度變化不明顯,目前基于熱像法的振動(dòng)疲勞研究相對(duì)較少。

Santos Silva等[15]和Talai等[16]研究發(fā)現(xiàn)溫度場(chǎng)分布與結(jié)構(gòu)共振響應(yīng)、振動(dòng)特性密切相關(guān),結(jié)構(gòu)諧振頻率隨溫度升高而增大。因此,溫度作為影響結(jié)構(gòu)振動(dòng)的重要參數(shù),需要重點(diǎn)研究。于是,王純等[17]采用紅外熱像儀監(jiān)測(cè)金屬元件在振動(dòng)疲勞過程中的溫度變化,根據(jù)溫度變化特征可反映結(jié)構(gòu)疲勞損傷信息。宋振等[18]發(fā)現(xiàn)可通過紅外熱圖對(duì)疲勞損傷進(jìn)行評(píng)估,進(jìn)而預(yù)測(cè)其疲勞壽命。上述研究對(duì)材料疲勞過程能量耗散問題已取得了豐碩的成果,但航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在實(shí)際工況下,常受到來自氣流擾動(dòng)或系統(tǒng)振動(dòng)高頻激振力的影響,導(dǎo)致受迫振動(dòng),應(yīng)力集中區(qū)域最先發(fā)生疲勞破壞。因此,關(guān)于高頻激振力下受迫振動(dòng)熱耗散規(guī)律研究還有待進(jìn)一步深入探究。

基于此,本文中通過有限元模態(tài)分析獲取葉片各階模態(tài)振型與應(yīng)力云圖,并確定最大振動(dòng)位移和應(yīng)力集中區(qū)域。根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果,采用紅外熱像儀對(duì)超聲激勵(lì)受迫振動(dòng)下的葉片進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),獲取葉片表面溫度場(chǎng)變化情況,并分析影響振動(dòng)熱耗散的因素以及應(yīng)力集中區(qū)域溫升情況。研究可為發(fā)展葉片結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞非接觸式研究方法提供新的思路。

1 疲勞熱耗散理論模型

材料疲勞主要由不可逆的塑性應(yīng)變累積所致,其中疲勞過程分為彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變。在卸載階段,彈性應(yīng)變是可逆的,而不可逆的塑性應(yīng)變將外力做功以能量的形式儲(chǔ)存在材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)中,當(dāng)能量?jī)?chǔ)存到一定程度時(shí),微觀裂紋逐漸萌生和擴(kuò)展,并伴隨能量耗散,其中80%～90%以熱能的形式釋放到環(huán)境中,10%的塑性應(yīng)變能以儲(chǔ)能形式留在材料晶格內(nèi),只有極少部分能量以聲發(fā)射、電、磁類形式釋放[20]。若忽略聲發(fā)射、電、磁類形式能量,由熱力學(xué)第一定律(能量守恒)可知,式(1)中:W為外力做功輸入的機(jī)械能;Q為熱能;ΔU為材料內(nèi)部?jī)?chǔ)能。

W=Q+ΔU

(1)

對(duì)于材料不同體積單元之間的熱傳遞和材料與環(huán)境之間的熱交換,即熱耗散。假設(shè)時(shí)刻t在(x,y,z)處的溫度場(chǎng)為T(x,y,z,t),如圖1疲勞加載過程中物體能量轉(zhuǎn)換,物體體積為V,外表面與環(huán)境進(jìn)行熱耗散總能量為Q(可分為3部分熱對(duì)流Scv、熱傳導(dǎo)Scd、熱輻射Sra)。由傳熱學(xué)可得該物體的熱耗散模型[21]：

圖1 疲勞加載過程中物體能量轉(zhuǎn)換

(2)

(3)

當(dāng)裂紋開始擴(kuò)展時(shí),產(chǎn)生非彈性應(yīng)變,并伴隨大量能量產(chǎn)生,即溫度快速升高階段,表面溫度T快速升高,因而通過表面溫度T變化特征可以反映結(jié)構(gòu)疲勞損傷信息。根據(jù)熱力學(xué)第一及第二定律與材料的本構(gòu)方程,可得到材料在疲勞過程中的熱力學(xué)耦合方程[10],即:

(4)

2 受迫振動(dòng)熱耗散規(guī)律研究

2.1 模態(tài)分析建模

模態(tài)分析可確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性,如結(jié)構(gòu)的固有頻率、各階模態(tài)振型以及應(yīng)力分布,便于更準(zhǔn)確地研究葉片應(yīng)力做功生熱問題,為受迫振動(dòng)熱耗散試驗(yàn)提供參考依據(jù)。

相比于平板結(jié)構(gòu),葉身為扭轉(zhuǎn)型曲面具有弧度以及扭曲特性,因此葉片模態(tài)振型與應(yīng)力分布更為復(fù)雜。其幾何尺寸如圖2所示。葉片結(jié)構(gòu)選用航發(fā)壓氣機(jī)葉片常用材料TC11:彈性模量E=1.23×105MPa,泊松比v=0.33,質(zhì)量密度ρ=4 480 kg/m3。對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析。由于考慮到航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在實(shí)際裝配工況下,通過榫頭固定于輪盤上,類似簡(jiǎn)支梁、懸臂梁結(jié)構(gòu),因此對(duì)葉片根部采用全固定約束。全局網(wǎng)格劃分尺寸為1 mm,網(wǎng)格類型選用C3D8R單元。

圖2 葉片結(jié)構(gòu)

2.2 振動(dòng)模態(tài)特性分析

在模態(tài)分析中,低階模態(tài)的等效質(zhì)量較大,對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)更加明顯。為更好地掌握葉片結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性,在進(jìn)行加載求解后,輸出葉片結(jié)構(gòu)前6階自振頻率(如表1所示)和前6階振型圖與Mises等效應(yīng)力云圖(如圖3、圖4所示)。

表1 葉片結(jié)構(gòu)前6階固有模態(tài)

表2 紅外熱像儀VarioCAM hr主要參數(shù)

圖4 葉片結(jié)構(gòu)前6階等效應(yīng)力云圖

由圖3(a)—(f)葉片結(jié)構(gòu)前6階振型圖可知,葉片結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出一系列不同的振動(dòng)形式。其中,葉片結(jié)構(gòu)第1階振型為一階軸向彎曲振動(dòng),變形量從上至下依次減小,最大變形量位于葉尖前緣處附近。第2階振型為一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng),葉片頂部發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形,葉尖前后緣振動(dòng)幅值較大,其最大變形量位于葉尖后緣附近。第3階振型為二階軸向彎曲振動(dòng),葉身前緣、葉尖前緣發(fā)生彎曲振動(dòng),其最大變形量位于葉身前緣中部附近。第4階振型為彎扭組合復(fù)合振動(dòng),葉尖發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng),葉身后緣發(fā)生彎曲振動(dòng),最大變形量位于葉身后緣中部附近。第5階振型為一階彎曲振動(dòng),與第1階振型不同是第5階振型葉尖前后緣均發(fā)生彎曲振動(dòng),且向同一方向發(fā)生彎曲變形,最大變形量位于葉尖后緣附近。第6階振型為三階扭轉(zhuǎn)振動(dòng),葉尖前緣與葉身后緣振動(dòng)更為劇烈,其最大變形量位于葉尖前緣附近。葉片在高階模態(tài)下,一般是以彎曲或扭轉(zhuǎn)為主的復(fù)合振型。

由圖3和圖4可知,其位移幅值最大位置通常位于葉尖前后緣和葉身中部,由于葉尖為自由端,可發(fā)生較大位移而不產(chǎn)生較大變形,而葉根作為固定端無法移動(dòng),葉尖產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力在葉根處通過反作用力抵消,進(jìn)而導(dǎo)致葉根兩側(cè)附近出現(xiàn)應(yīng)力集中。由于葉身中部發(fā)生彎曲變形使得應(yīng)變較大,從而導(dǎo)致葉身中部產(chǎn)生應(yīng)力集中。

然而,葉片在工況下常受到高頻激振力的影響,易引發(fā)超高周疲勞斷裂問題,結(jié)合現(xiàn)有超高周疲勞研究,超聲加載激振頻率一般為20 kHz[22-23]。因此,為分析葉片在高頻激振力下的受迫振動(dòng)特性,選取葉片結(jié)構(gòu)模態(tài)第33階模態(tài)振型,固有頻率為20 191 Hz(與20 kHz相對(duì)誤差0.9%可忽略),如圖5所示。葉身前緣處于多階彎曲變形狀態(tài),振動(dòng)更為劇烈,最大變形量位于葉根前緣附近,應(yīng)力集中區(qū)域分布在葉身前緣,最大應(yīng)力點(diǎn)位于葉根前緣附近。

圖5 葉片結(jié)構(gòu)第33階振動(dòng)模態(tài)

因此,在葉片實(shí)際工況下,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注葉片結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)部位——葉尖前后緣與葉根兩側(cè)位置,確保航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片能正常運(yùn)行并達(dá)到預(yù)期性能。

2.3 振動(dòng)熱耗散試驗(yàn)

通過模態(tài)分析,得到了葉片結(jié)構(gòu)各階振動(dòng)特性和應(yīng)力集中區(qū)域,由式(4)熱力耦合方程可知,應(yīng)力集中區(qū)域溫度變化明顯,可通過紅外熱像儀監(jiān)測(cè)受迫振動(dòng)下應(yīng)力集中區(qū)域溫度變化,為進(jìn)一步研究葉片振動(dòng)和熱耗散提供參考[15-16,18]。

為研究不同材料參數(shù)和試件結(jié)構(gòu)對(duì)熱耗散規(guī)律的影響,試驗(yàn)采用3種不同試件進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究,如圖6所示,分別為1 mm厚平板、3 mm厚平板、葉片結(jié)構(gòu)件,以下均簡(jiǎn)稱為1 mm板、3 mm板、葉片。1 mm板、3 mm板材料均為鋁合金,葉片試件材料為鈦合金。由于光滑金屬表面存在反射,為提高試件表面熱輻射率,在其表面均勻涂抹黑色亞光漆,以更準(zhǔn)確地獲取試件表面溫度場(chǎng)。試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括:Infra Tec便攜式紅外熱像儀VarioCAM hr、超聲信號(hào)發(fā)生器、變幅桿和夾具等設(shè)備,如圖7所示。試驗(yàn)中,將試件一端通過夾具夾緊固定,結(jié)合實(shí)驗(yàn)室前期基礎(chǔ),采用超聲變幅桿(激振頻率為20 kHz)作為高頻振動(dòng)激勵(lì)源[16,24],激勵(lì)源位置位于夾具上方,以模擬試件發(fā)生受迫振動(dòng)。試件發(fā)生受迫振動(dòng)時(shí),采用Infra Tec便攜式紅外熱像儀VarioCAM hr實(shí)時(shí)記錄試件表面溫度變化情況,通過系統(tǒng)提取熱圖序列,分析影響受迫振動(dòng)試件表面溫度變化的因素。

圖6 試件實(shí)物圖

圖7 試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

2.4 試件表面溫度場(chǎng)分析

圖8為超聲激勵(lì)下葉片受迫振動(dòng)過程中某時(shí)刻表面溫度T分布。由圖8可知,葉片表面存在3處溫度變化明顯區(qū)域,其中受激勵(lì)點(diǎn)與葉根夾持端附近的溫度明顯高于環(huán)境溫度T0。選取圖中矩形區(qū)域作為熱源分析對(duì)象,消除環(huán)境溫度T0影響,可清晰地看出葉片結(jié)構(gòu)輪廓。通過紅外熱圖序列,可直觀地觀察葉片表面溫度T的變化過程,進(jìn)而研究葉片熱傳導(dǎo)規(guī)律以及應(yīng)力集中區(qū)域溫度變化規(guī)律。

圖8 受迫振動(dòng)過程中葉片表面溫度場(chǎng)

圖9為某時(shí)刻通過紅外熱像儀實(shí)時(shí)采集的熱圖和以受激勵(lì)點(diǎn)為中心的直線L1上各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化三維圖。試驗(yàn)中,葉片根部由夾具固定,上端為自由端。

圖9 葉片表面直線L1上溫度分布圖

由圖9可知,溫度分布以直線L1中點(diǎn)為對(duì)稱中心上下對(duì)稱,表明試驗(yàn)夾具、空氣與試件之間的熱傳導(dǎo)對(duì)溫度的測(cè)量影響不大,并未導(dǎo)致試件中心溫度的偏移。此外,由于測(cè)量距離、變幅桿與試件之間接觸的預(yù)緊力也會(huì)影響溫度測(cè)量精度[24-25],所以后續(xù)試驗(yàn)將測(cè)量焦距保持一致,預(yù)緊力統(tǒng)一調(diào)至150 N。

2.4.1振動(dòng)熱耗散規(guī)律

通過紅外熱像儀對(duì)葉片進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與采集,得到在超聲激勵(lì)下葉片受迫振動(dòng)的表面溫度場(chǎng)變化全過程。圖10展示了葉片受激勵(lì)點(diǎn)最高溫度處溫升變化曲線,可明顯看出葉片表面溫升ΔT演化的3個(gè)階段:溫度穩(wěn)定階段,快速升溫階段,緩慢降溫階段。為更直觀看出葉片表面溫度場(chǎng)變化,在溫升曲線上分別取ABCDE五個(gè)不同時(shí)刻下的葉片熱圖序列。

圖10 葉片表面溫度場(chǎng)變化全過程

溫度穩(wěn)定階段:起初,在A點(diǎn)前未激發(fā)振動(dòng),葉片并未產(chǎn)生應(yīng)力,此時(shí)葉片與環(huán)境之間的熱耗散Q處于平衡狀態(tài),葉片表面溫度T與環(huán)境溫度T0差別不大,因此葉片表面溫升無太大變化。

快速溫升階段:隨著激勵(lì)開始,在B點(diǎn),葉片發(fā)生受迫振動(dòng),外力做功輸入的機(jī)械能W不為0,葉片受激勵(lì)點(diǎn)處表面溫度T快速上升,并高于環(huán)境溫度T0,此時(shí),葉片表面溫升區(qū)域不斷向環(huán)境周圍進(jìn)行熱耗散Q。隨著受迫振動(dòng)的不斷持續(xù),外力做功輸入的機(jī)械能W不斷增加,在C點(diǎn),受激勵(lì)點(diǎn)處表面溫度T不斷升高,溫升區(qū)域不斷擴(kuò)大,應(yīng)力集中區(qū)域有明顯升溫現(xiàn)象。

緩慢降溫階段:激勵(lì)終止,受迫振動(dòng)停止,在D點(diǎn),受激勵(lì)點(diǎn)溫升達(dá)到最大值,此時(shí)結(jié)構(gòu)各單元間的熱傳導(dǎo)Scd與環(huán)境的熱對(duì)流Scv速率最大。E點(diǎn)由于振動(dòng)停止,外力做功W為0,受激勵(lì)點(diǎn)溫升緩慢下降,由于溫升區(qū)域存在溫度差,葉片結(jié)構(gòu)間與環(huán)境間不斷進(jìn)行熱耗散Q,熱傳遞(溫升)區(qū)域不斷擴(kuò)大,但受激勵(lì)點(diǎn)溫升總體呈下降趨勢(shì)。

基于此,可進(jìn)一步研究3種試件在不同振動(dòng)時(shí)間下的熱耗散規(guī)律。圖11為試件在不同振動(dòng)時(shí)間下,受激勵(lì)點(diǎn)溫升隨采集時(shí)間的變化曲線。

圖11 試件在不同振動(dòng)時(shí)間下溫升變化曲線

由圖11可知,隨振動(dòng)時(shí)間的增加,受激勵(lì)點(diǎn)最大溫升值ΔT(以下簡(jiǎn)稱最大溫升值)也不斷增加。振動(dòng)開始后,試件受激勵(lì)點(diǎn)迅速升溫,且在溫度上升階段初期,同一試件溫升速率大致相等;隨振動(dòng)的持續(xù),受激勵(lì)點(diǎn)溫升速率有所降低,該現(xiàn)象在1 mm板和葉片試件振動(dòng)2 s時(shí)最為明顯。振動(dòng)結(jié)束時(shí),受激勵(lì)點(diǎn)溫升到達(dá)最大值,此時(shí)結(jié)構(gòu)單元間以及與環(huán)境之間的溫差最大,因此熱耗散速率也最大。振動(dòng)結(jié)束后,由于無外力做功,試件不斷向結(jié)構(gòu)和環(huán)境進(jìn)行熱耗散Q,表面溫度T不斷下降。由于1、3 mm板材料為鋁合金,傳熱導(dǎo)熱性好,而葉片材料為鈦合金,相比于鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)小,散熱速度慢,因此三者溫度下降速率有所差異。

將3種試件在不同振動(dòng)時(shí)間下的溫升曲線對(duì)比分析,如圖12所示。

由圖12可知,在振動(dòng)過程中,1 mm板溫升速率最高,3 mm板次之、葉片最慢。這是由于1 mm板質(zhì)量小,受迫振動(dòng)幅值更大、振動(dòng)更劇烈,導(dǎo)致其溫升速率最快,溫升最大,而葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較大,質(zhì)量比1 mm板大,阻尼作用更強(qiáng),相比于平板的振動(dòng)幅值更小,因此溫升速率相對(duì)較慢。但通過對(duì)比圖12(a)(b)(c)三圖可知,在(a)中葉片的最大溫升值均小于1、3 mm板,在(b)(c)中葉片的最大溫升值大于3 mm板,小于1 mm板。隨振動(dòng)時(shí)間的增加,3種試件的溫升差值逐漸縮小,試件最大溫升值的變化更不明顯,這表明,相比于質(zhì)量和阻尼作用,振動(dòng)時(shí)間對(duì)溫升影響更大。

由圖11和圖12可知,振動(dòng)過程中,試件溫升速率在升溫后段有所下降。這是由于隨著振動(dòng)的不斷持續(xù),試件結(jié)構(gòu)間與環(huán)境溫差越來越大,熱耗散率增大,所以溫升速率有所下降。

2.4.2應(yīng)力集中區(qū)域溫度變化規(guī)律

熱耗散規(guī)律研究為應(yīng)力集中區(qū)域溫度變化提供了有效分析方法。從圖13可明顯看出,除受激勵(lì)點(diǎn)外,在葉身前緣與葉根附近還存在較明顯的溫升區(qū)域。這與圖4葉片應(yīng)力集中區(qū)域比較相符。

圖14和圖15分別為區(qū)域1和區(qū)域2的溫升變化曲線,在受迫振動(dòng)開始后,應(yīng)力集中區(qū)域均有不同程度溫升,當(dāng)振動(dòng)結(jié)束后,溫升逐漸下降。區(qū)域1、2在受迫振動(dòng)停止后,溫升初始下降趨勢(shì)不同。由于區(qū)域1為集中應(yīng)力做功引起溫度變化,而區(qū)域2為葉根與夾具產(chǎn)生微動(dòng)摩擦和集中應(yīng)力做功共同導(dǎo)致溫度變化,當(dāng)受迫振動(dòng)停止后摩擦表面產(chǎn)生的熱量迅速耗散至空氣中,當(dāng)溫升值下降至1.5 ℃左右時(shí),區(qū)域2溫升下降趨勢(shì)與區(qū)域1一致。在圖15中,振動(dòng)時(shí)間2 s的溫升曲線在振動(dòng)過程中出現(xiàn)溫升緩慢增長(zhǎng)階段,這是由于應(yīng)力做功一部分熱能Q與熱耗散中熱傳導(dǎo)Scd、熱對(duì)流Scv之和相等,所以溫升趨于穩(wěn)定狀態(tài)。綜上,可以發(fā)現(xiàn),在振動(dòng)過程中,應(yīng)力做功輸出的能量一部分轉(zhuǎn)化為熱能,并在應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生熱耗散Q,導(dǎo)致表面溫度T升高。由圖5(b)葉片結(jié)構(gòu)第33階等效應(yīng)力云圖可知,應(yīng)力集中區(qū)域分布在葉身前緣,最大應(yīng)力點(diǎn)位于葉根前緣附近,這與試驗(yàn)所觀察到的溫升區(qū)域相符合。因此,可采用紅外熱像法,根據(jù)結(jié)構(gòu)表面溫度T分布預(yù)見最危險(xiǎn)的疲勞損傷部位(應(yīng)力集中區(qū)域),對(duì)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和強(qiáng)度分析提供了有效研究方法。

圖14 區(qū)域1溫升變化曲線

圖15 區(qū)域2溫升變化曲線

3 結(jié)論

在系統(tǒng)分析疲勞熱耗散理論的基礎(chǔ)上,對(duì)振動(dòng)過程中葉片的各階模態(tài)開展了研究,確定了結(jié)構(gòu)振動(dòng)過程中的應(yīng)力集中區(qū)域。結(jié)合振動(dòng)熱耗散理論,提出基于紅外熱像法的結(jié)構(gòu)受迫振動(dòng)研究,采用超聲變幅桿激勵(lì)試件根部,通過高精度紅外熱像儀實(shí)時(shí)采集試件表面溫度場(chǎng)變化。根據(jù)紅外熱圖序列及溫升變化曲線,確定影響振動(dòng)熱耗散的因素,獲得了試件振動(dòng)熱耗散規(guī)律。結(jié)論如下:

1) 葉片是扭轉(zhuǎn)曲面結(jié)構(gòu),高階模態(tài)為彎曲或扭轉(zhuǎn)為主的復(fù)合振動(dòng),葉尖前后緣振動(dòng)幅值最大,葉根和葉身中部附近易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2) 試驗(yàn)夾具、空氣與試件之間的熱傳導(dǎo)對(duì)溫度的測(cè)量影響不大,相比于質(zhì)量、阻尼作用,振動(dòng)時(shí)間對(duì)試件溫升變化影響更為顯著。最大溫升值與振動(dòng)時(shí)間并無明顯的線性關(guān)系。

3) 葉片結(jié)構(gòu)受迫振動(dòng)下,應(yīng)力集中區(qū)域有明顯溫升,熱像法可作為結(jié)構(gòu)受迫振動(dòng)下應(yīng)力集中區(qū)域快速檢測(cè)的有效技術(shù)手段。