CN112525736A - 风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法 - Google Patents

风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法，其基于金字塔试验验证策略，获取风扇叶片局部强度性能和识别风扇叶片的设计薄弱点，支撑风扇叶片的零件级试验，包括以下步骤：S1、在所述风扇叶片上确定取样位置，以获得元件级的试验件，所述取样位置位于所述风扇叶片的前缘和尾缘；S2、确定试验件的大小；S3、对所述风扇叶片进行所述试验件的取样；S4、将所述试验件的固定端通过夹具夹紧，另一端通过加载头进行循环加载和卸载，直至试验件破坏。本发明针对性强，能够适应复合材料风扇叶片的局部特征。试验验证目的明确，可以获得叶片前、尾缘刚度、强度性能以及相应典型破坏形式，有利于识别设计薄弱点。

Description

风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法
技术领域
本发明涉及航空发动机叶片强度试验领域，特别涉及一种风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法。
背景技术
现有技术中，航空发动机具有转、静子两类工作叶片，工作过程中，叶片做功。其中，风扇叶片位于进气道最前端，其通过高速旋转起到引气及产生推力的作用，主要由榫头和叶身组成。正常工况下，风扇叶片主要承受气动载荷和离心载荷作用，榫头将叶片所受载荷传递给风扇盘。
随着航空发动机技术朝着质量更轻、可靠性更高、经济性更好方向发展，大涵道比涡轮风扇航空发动机得到广泛应用，大尺寸风扇叶片成为了各涡扇航空发动机承制商的必然选择。
为了满足高推重比要求，金属风扇叶片逐渐被取代。20世纪60年代，复合材料以一种新材料进入大家的视线，因其具有比强度和比模量高、性能可设计以及易于整体成型等优势，复合材料技术迅速崛起，已经与铝合金、钛合金以及合金钢一起成为了航空航天四大结构材料。
目前，复合材料风扇叶片已在国外成熟涡扇航空发动机中得到了较好应用，实践证明，复合材料新技术在涡扇航空发动机中具有广阔的应用前景。
然而，目前国内尚无成熟复合材料风扇叶片应用到航空发动机中，在复合材料风扇叶片研制过程中，通常会采用金字塔试验验证策略对设计进行验证，而且复合材料风扇叶片属于各向异性，同时复材风扇叶片强度性能受工艺影响较大。因此需要根据风扇叶片空间构型和局部受力特点有针对性开展相应的元件级强度试验，其中元件级试验是金字塔试验验证策略中零件级试验的下一级别试验。
有鉴于此，本领域技术人员设计了一种风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法，以期克服上述技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中复合材料风扇叶片属于各向异性，且复合材料风扇叶片性能受工艺影响较大等缺陷，提供一种风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
一种风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法，其特点在于，所述风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法基于金字塔试验验证策略，获取风扇叶片局部强度性能和识别风扇叶片的设计薄弱点，支撑风扇叶片的零件级试验，包括以下步骤：
S1、在所述风扇叶片上确定取样位置，以获得元件级的试验件，所述取样位置位于所述风扇叶片的前缘和尾缘；
S2、确定试验件的大小；
S3、对所述风扇叶片进行所述试验件的取样；
S4、将所述试验件的固定端通过夹具夹紧，另一端通过加载头进行循环加载和卸载，直至试验件破坏。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S1中所述试验件选取于所述风扇叶片的叶身区域。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S1中所述试验件选取于所述风扇叶片的前缘和尾缘最易发生工艺缺陷的位置处。
根据本发明的一个实施例，所述风扇叶片的前缘和尾缘最易发生工艺缺陷的位置通过结合所述风扇叶片本身的结构特点和成型后叶片的无损检测共同确定。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S2中具体包括：所述试验件的宽度为25mm-30mm之间。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S3中具体包括：
S31、取样前对所述风扇叶片的坐标进行标定，建立基准。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S31中具体包括：
S311、利用仿形工装夹持所述风扇叶片并同步监测装夹变形量；
S312、采用非接触式测量方法，对所述风扇叶片的实物及工装基准点进行整体扫描；
S313、筛选步骤S312中的扫描数据，对所述风扇叶片进行实测数据与理论数据的拟合；
S314、根据最佳拟合结果，获得坐标转换矩阵，建立基准坐标；
S315、对所述基准坐标进行验证。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S3中还具体包括：在取样时，控制各个所述试验件的公差一致性，保证各个所述试验件的自身净尺寸，并控制各个所述试验件的试验段的表面粗糙度的一致性。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S3中还具体包括：采用干切对所述风扇叶片进行所述试验件的取样。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S4中所述夹具为固定块，所述固定块包括上压块和下压块，所述上压块和所述下压块对所述试验件上下夹紧固定限位。
根据本发明的一个实施例，所述上压块上开设有卡槽，所述下压块上开设有限位结构，所述卡槽和所述限位结构与所述试验件配合夹紧。
根据本发明的一个实施例，所述上压块的宽度方向比所述下压块的宽度方向宽。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S4中所述加载头与所述试验件接触的加载端外表面为圆弧形，且所述加载头的接触面的径向高度为变化的。
根据本发明的一个实施例，所述试验件的夹持距离为25mm-35mm，所述试验件的加载点与边缘的距离为所述试验件长度的15%-20%。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S4中对所述试验件进行3-4次从500N-1000N的循环加载，加载速度为20N/s。
本发明的积极进步效果在于：
本发明风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法具有如下诸多优势：
一、所述风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法的针对性强，能够适应复合材料风扇叶片的局部特征；
二、试验验证目的明确，可以获得叶片前缘刚度、尾缘刚度、强度性能以及相应典型破坏形式，有利于识别设计薄弱点；
三、能够验证复合材料风扇叶片工艺一致性，判断复材叶片工艺稳定性；
四、提出的试验验证方法可操作性、可实现性强；
五、试验周期短，有利于降低试验费用，缩短试验周期，降低研发成本；
六、能够为各向异性风扇叶片试验验证实施提供参考。
附图说明
本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
图1为金字塔试验验证策略示意图。
图2为本发明风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法中复合材料风扇叶片的示意图。
图3为本发明风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法中悬臂梁试验件取样位置示意图。
图4为本发明风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法中悬臂梁元件级试验件的示意图一。
图5为本发明风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法中悬臂梁元件级试验件的示意图二。
图6为本发明风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法中悬臂梁元件级试验件的示意图三。
图7为本发明风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法中悬臂梁元件级试验的原理图。
图8为本发明风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法中悬臂梁元件级试验的状态示意图。
图9为本发明风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法中悬臂梁试验夹具的结构示意图。
图10为本发明风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法中上压块的结构示意图。
图11为本发明风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法中下压块的结构示意图。
图12为本发明风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法中悬臂梁试验加载头的结构示意图。
图13为本发明风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法中悬臂梁试验加载头的主视图。
图14为本发明风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法中悬臂梁试验加载头的侧视图。
图15为本发明风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法中悬臂梁试验夹持和加载位置的示意图。
具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
现在将详细参考附图描述本发明的实施例。现在将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。
此外，尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。
此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。
本发明提供了一种风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法，其基于金字塔试验验证策略，获取风扇叶片局部强度性能和识别风扇叶片的设计薄弱点，支撑风扇叶片的零件级试验。具体地说，元件级试验属于材料级试验的上一级，零件级试验的下一级（如附图1所示），用来支撑零件级试验。元件级试验主要为了获得叶片局部强度性能以及相应典型破坏形式，识别设计上的不足，也能够识别一定程度的工艺问题。基于以上目的，元件级试验件取样基于整个叶片，能够适应风扇叶片空间曲面构型的特点，同时结合局部受力特点和工艺验证需求进行选取。
如图1所示，根据复合材料风扇叶片空间构型和局部受力特点，本发明提出了悬臂梁元件级强度试验取样方法，并提出了相应的强度试验方法，以期通过强度试验获得复合材料风扇叶片前缘和尾缘的抗弯刚度、强度以及典型破坏形式，并用来验证叶片工艺稳定性是否满足设计要求。
如图2所示，复合材料风扇叶片中标示了叶尖10、前缘20、尾缘30、流道线以及榫头40位置，前缘20为进气边，尾缘30为排气边，虚线50所示为流道线，虚线60所示为叶片榫头40高度。正常工况下，风扇叶片主要承受离心载荷和气动载荷。
本发明所述风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法包括以下步骤：
S1、在所述风扇叶片上确定取样位置，以获得元件级的试验件，所述取样位置位于所述风扇叶片的前缘和尾缘。
优选地，其中所述试验件选取于所述风扇叶片的叶身区域，例如叶身的中间附近区域，所述试验件距离风扇叶片底部的距离为H。所述试验件选取于所述风扇叶片的前缘和尾缘最易发生工艺缺陷的位置处。所述风扇叶片的前缘和尾缘最易发生工艺缺陷的位置通过结合所述风扇叶片本身的结构特点和成型后叶片的无损检测（超声A扫描、超声C扫描）结果共同确定。
进一步具体地说，如图3所示，叶片悬臂梁元件级试验件选取于风扇叶片前缘20、尾缘30，取样位置如图3中阴影部分70所示。在进行悬臂梁元件级试验件取样时，一方面为了获得风扇叶片前缘20和尾缘30的抗弯刚度、强度性能，另一方面为了验证叶片制备工艺的稳定性和一致性。试验件一般选取于叶身区域（例如叶身中间附近区域）或者叶片前缘20和尾缘30最易发生工艺缺陷的位置，具***置需要结合风扇叶片本身的结构特点和成型后风扇叶片的无损检测（超声A扫描、超声C扫描）结果来共同确定。
S2、确定试验件的大小。
优选地，所述步骤S2中具体包括：所述试验件的宽度为25mm-30mm之间。
具体地说，如图3所示，所述试验件的长度d需要根据叶片宽度确定，同时试验件需具备一定的宽度w，使其测得的强度性能能够真实反映叶片的性能，且在测试过程中避免发生不必要的变形（如扭转），但宽度又不能太大，否则会导致试验载荷增大，无法满足试验要求。一般选取试验件宽度在25mm~30mm之间。
S3、对所述风扇叶片进行所述试验件的取样。
优选地，所述步骤S3中具体包括：S31、取样前对所述风扇叶片的坐标进行标定，建立基准。
所述步骤S31中具体包括：S311、利用仿形工装夹持所述风扇叶片并同步监测装夹变形量；
S312、采用非接触式测量方法，对所述风扇叶片的实物及工装基准点进行整体扫描；
S313、筛选步骤S312中的扫描数据，对所述风扇叶片进行实测数据与理论数据的拟合；
S314、根据最佳拟合结果，获得坐标转换矩阵，建立基准坐标；
S315、对所述基准坐标进行验证。
所述步骤S3中还具体包括：在取样时，控制各个所述试验件的公差一致性，保证各个所述试验件的自身净尺寸，并控制各个所述试验件的试验段的表面粗糙度的一致性。
所述步骤S3中还具体包括：采用干切对所述风扇叶片进行所述试验件的取样。
进一步具体地说，如图3至图6所示，为了比较不同叶片之间的强度性能以及验证工艺稳定性，需要保证不同叶片之间取样位置的一致性，取样前需要对叶片坐标进行标定，建立一定的基准。利用仿形工装夹持叶片并同步监测装夹变形量，保证重复性和再现性。
采用非接触式测量方法，对叶片实物及工装基准点进行整体扫描。筛选扫描数据，对叶片进行实测数据与理论数据的拟合。根据最佳拟合结果，获得坐标转换矩阵，建立基准坐标。在进行坐标验证后，即可进行取样。
取样时，需要控制各试验件的公差一致性，保证各试验件的自身净尺寸，同时，为了保证试验结果有效性和具有可比较性，需要控制各试验件试验段的表面粗糙度的一致性。
对所述风扇叶片取样时，禁用各类冷却液，只可干切，可风冷。弯曲段曲面不允许上胶除胶，不可接触任何化学溶剂，如丙酮、香蕉水等。弯曲段不允许有任何刮擦等痕迹。试验件取样过程中不得有任何层间剥离现象。
S4、将所述试验件的固定端通过夹具夹紧，另一端通过加载头进行循环加载和卸载，直至试验件破坏。
优选地，所述步骤S4中所述夹具为固定块，所述固定块包括上压块和下压块，所述上压块和所述下压块对所述试验件上下夹紧固定限位。
此处，所述上压块上开设有卡槽，所述下压块上开设有限位结构，所述卡槽和所述限位结构与所述试验件配合夹紧。所述上压块的宽度方向比所述下压块的宽度方向宽。
进一步优选地，所述步骤S4中所述加载头与所述试验件接触的加载端外表面为圆弧形，且所述加载头的接触面的径向高度为变化的。所述试验件的夹持距离为25mm-35mm，所述试验件的加载点与边缘的距离为所述试验件长度的15%-20%。所述步骤S4中对所述试验件进行3-4次从500N-1000N的循环加载，加载速度为20N/s。
如图7和图8所示，所述风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法中，试验件100的其中一端固定。为了模拟风扇叶片前缘20和尾缘30的真实受载情况，在试验件压力面加载。
如图9至图11所示，所述固定端的夹具80为固定块，包括上压块81和下压块82，上压块81和下压块82均开有对应位置的通孔a，上压块81和下压块82通过螺钉实现与试验台的相对固定。通过上压块81的卡槽811和下压块82的限位结构821实现对试验件100的固定限位。
同时，上压块81的宽度方向比下压块82的宽度方向要宽，是为了使上压块81在加载过程中有一定自适应变形，更好地压紧试验件。
如图12至图14所示，加载头90与试验件100接触的加载端外表面91设计成圆弧形，且加载头90的接触面径向高度是变化的，以适应试验件100压力面的曲面构型，保证加载时加载头与试验件更好地贴合，保证加载和测试结果的有效性。
如图15所示，d1为所述试验件的夹持距离，d2为所述试验件的加载点与边缘的距离。所述试验件的夹持距离一般优选为25mm-35mm，d2一般约为试验件长度d的15%-20%。
试验加载时，对于每一个试验件进行预加载和卸载，以增强试验件与夹具之间的贴合度。一般对试验件进行3-4次从500N-1000N的循环加载，然后再加载直至试验件破坏，加载速度一般为20N/s。
复合材料风扇叶片悬臂梁元件级强度试验可在力学性能试验机上进行，试验可操作性、可实现性强，同时元件级强度试验结果可以用来验证不同批次叶片之间的工艺稳定性是否满足设计要求。
在复合材料风扇叶片研制过程中，通常会采用金字塔试验验证策略对设计和工艺进行验证。本发明根据复合材料风扇叶片空间构型和局部受力特点，提出风扇叶片悬臂梁元件级强度试验件取样方法，并提出相应的强度试验方法，以期通过对悬臂梁元件级试验件开展强度试验，验证风扇叶片局部强度性能，获得其典型破坏形式，并用来验证不同叶片以及不同位置之间的工艺一致性是否满足设计要求。
因此，为了验证复合材料风扇叶片局部强度性能，获得其典型破坏形式，并验证复合材料风扇叶片工艺稳定性，本发明基于金字塔试验验证策略，提出了一种叶片悬臂梁元件级强度试验方法，包括元件级试验件取样方法以及相应的强度试验方法，以期支撑叶片零件级试验。
本发明根据复合材料风扇叶片空间构型和局部受力特点有针对性开展叶片悬臂梁元件级强度试验验证，悬臂梁元件级试验件选取于叶身前、尾缘。通过悬臂梁元件级强度试验可以获得叶片前、尾缘的抗弯刚度、强度以及典型破坏形式，有助于识别前、尾缘的设计薄弱点，并可验证叶片工艺的稳定性是否满足要求。复合材料风扇叶片悬臂梁元件级强度试验可在力学性能试验机上进行，试验可操作性、可实现性强。
综上所述，本发明风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法具有如下诸多优势：
一、所述风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法的针对性强，能够适应复合材料风扇叶片的局部特征；
二、试验验证目的明确，可以获得叶片前、尾缘刚度、强度性能以及相应典型破坏形式，有利于识别设计薄弱点；
三、能够验证复合材料风扇叶片工艺一致性，判断复材叶片工艺稳定性；
四、提出的试验验证方法可操作性、可实现性强；
五、试验周期短，有利于降低试验费用，缩短试验周期，降低研发成本；
六、能够为各向异性风扇叶片试验验证实施提供参考。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法，其特征在于，所述风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法基于金字塔试验验证策略，获取风扇叶片局部强度性能和识别风扇叶片的设计薄弱点，支撑风扇叶片的零件级试验，包括以下步骤：
S1、在所述风扇叶片上确定取样位置，以获得元件级的试验件，所述取样位置位于所述风扇叶片的前缘和尾缘；
S2、确定试验件的大小；
S3、对所述风扇叶片进行所述试验件的取样；
S4、将所述试验件的固定端通过夹具夹紧，另一端通过加载头进行循环加载和卸载，直至试验件破坏。
2.如权利要求1所述的风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法，其特征在于，所述步骤S1中所述试验件选取于所述风扇叶片的叶身区域。
3.如权利要求1所述的风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法，其特征在于，所述步骤S1中所述试验件选取于所述风扇叶片的前缘和尾缘最易发生工艺缺陷的位置处。
4.如权利要求3所述的风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法，其特征在于，所述风扇叶片的前缘和尾缘最易发生工艺缺陷的位置通过结合所述风扇叶片叶身的结构特点和成型后叶片的无损检测共同确定。
5.如权利要求1所述的风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法，其特征在于，所述步骤S2中具体包括：所述试验件的宽度为25mm-30mm之间。
6.如权利要求1所述的风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法，其特征在于，所述步骤S3中具体包括：
S31、取样前对所述风扇叶片的坐标进行标定，建立基准。
7.如权利要求6所述的风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法，其特征在于，所述步骤S31中具体包括：
S311、利用仿形工装夹持所述风扇叶片并同步监测装夹变形量；
S312、采用非接触式测量方法，对所述风扇叶片的实物及工装基准点进行整体扫描；
S313、筛选步骤S312中的扫描数据，对所述风扇叶片进行实测数据与理论数据的拟合；
S314、根据最佳拟合结果，获得坐标转换矩阵，建立基准坐标；
S315、对所述基准坐标进行验证。
8.如权利要求6所述的风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法，其特征在于，所述步骤S3中还具体包括：在取样时，控制各个所述试验件的公差一致性，保证各个所述试验件的自身净尺寸，并控制各个所述试验件的试验段的表面粗糙度的一致性。
9.如权利要求8所述的风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法，其特征在于，所述步骤S3中还具体包括：采用干切对所述风扇叶片进行所述试验件的取样。
10.如权利要求1所述的风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法，其特征在于，所述步骤S4中所述夹具为固定块，所述固定块包括上压块和下压块，所述上压块和所述下压块对所述试验件上下夹紧固定限位。
11.如权利要求10所述的风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法，其特征在于，所述上压块上开设有卡槽，所述下压块上开设有限位结构，所述卡槽和所述限位结构与所述试验件配合夹紧。
12.如权利要求10所述的风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法，其特征在于，所述上压块的宽度方向比所述下压块的宽度方向宽。
13.如权利要求1所述的风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法，其特征在于，所述步骤S4中所述加载头与所述试验件接触的加载端外表面为圆弧形，且所述加载头的接触面的径向高度为变化的。
14.如权利要求13所述的风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法，其特征在于，所述试验件的夹持距离为25mm-35mm，所述试验件的加载点与边缘的距离为所述试验件长度的15%-20%。
15.如权利要求6所述的风扇叶片悬臂梁元件级强度试验方法，其特征在于，所述步骤S4中对所述试验件进行3-4次从500N-1000N的循环加载，加载速度为20N/s。
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