一种用于刻画叶身与缘板过渡处结构细节的疲劳试验件制造技术

本发明专利技术公开一种用于刻画叶身与缘板过渡处结构细节的疲劳试验件，包括顺次连接的上夹持段、上圆弧过渡段、叶背特征模拟段、叶身与缘板过渡处特征模拟段、缘板特征模拟段、下圆弧过渡段和下夹持段，叶背特征模拟段采用双凸面设计，沿厚度方向对称，两凸面之间以圆弧段过渡；叶背特征模拟段沿轴向采用变截面设计；叶身与缘板过渡处特征模拟段采用变化的圆弧倒角设计，能够模拟叶身与缘板过渡处特征，重点解决模拟试样的几何设计能够刻画叶身缘板过渡特征处几何结构细节和应力分布特征，构成特征模拟的几何元素组合能够涵盖真实结构特征的设计边界。的设计边界。的设计边界。

【技术实现步骤摘要】
一种用于刻画叶身与缘板过渡处结构细节的疲劳试验件


[0001]本专利技术涉及机械结构强度
，特别是涉及一种用于刻画叶身与缘板过渡处结构细节的疲劳试验件。

技术介绍

[0002]叶型曲面是风扇、压气机和涡轮叶片的一种典型结构特征形式，其带来的几何效应和几何
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应力集中耦合效应是叶片结构设计和强度评估中必须考虑的关键问题之一。由于叶型曲面不同于典型的孔/缺口等几何不连续特征，该结构形式所产生的应力集中效应与传统的含孔/缺口试样明显不同，导致几何
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应力集中耦合效应成为制约叶片高温疲劳强度和寿命评价的一个难题。试图单纯以缺口试样发展叶型曲面的疲劳强度理论，既不符合真实结构特征，也难以全面考虑真实结构的几何
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应力集中耦合效应问题。因此，结构特征模拟件成为研究叶型曲面和叶身缘板过渡处疲劳问题的新型试样形式，有望发展适用于真实结构的疲劳理论。对于叶片类结构叶身缘板过渡处，其载荷形式多样、失效模式复杂通常存在高低周复合疲劳和保载疲劳等典型失效模式。为研究某一具体问题，需要根据相应的破坏特点，设计合理的模拟试样。
[0003]转子叶片在服役过程中，离心载荷的作用使叶片根部截面存在保持的高水平应力，同时发动机的启停又引起叶片根部截面应力产生大幅低频变化，二者叠加形成保载疲劳问题。不同于低周疲劳或叶片持久强度问题，保载疲劳既有保载问题的整体性，又具有疲劳问题的局部性。对于涡轮叶片而言，高温高水平应力不可避免地带来蠕变损伤，孤立地对叶片进行疲劳评估或持久强度评估已不能满足现代航空发动机叶片强度设计要求，有必要开展保载疲劳研究。
[0004]目前，采用平板、圆棒等标准试样以及全尺寸叶片研究叶片类结构的疲劳强度时存在以下几个问题：(1)标准试样的几何特征与实际叶片相差较大，无法反映几何
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应力集中耦合效应，获得的破坏机理无法直接应用到真实结构，导致基于标准试样数据获得的寿命模型在评价叶片疲劳寿命时存在较大误差；(2)全尺寸叶片试验成本高，试验难度大，难以全面准确获得其所有温度和应力参数，通常只能获得定性的研究结果。
[0005]基于上述背景，为了研究叶身缘板过渡处几何
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应力集中耦合效应对保载疲劳问题的影响，所设计的叶身缘板特征模拟件需要能够刻画叶身缘板过渡处真实结构细节，反映在轴向拉伸载荷下的几何
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应力集中耦合效应，才能对叶身缘板过渡特征保载疲劳问题进行深入研究。需要指出的是，用于刻画叶身与缘板过渡处结构细节的疲劳试验件并不是对真实结构细节和应力状态的完全复制，其设计需能够表征结构力学特性的同时又能回答一般性科学问题，在结构细节刻画过程中，所采用的几何元素组合需能够将真实结构设计边界包容在内，使结构细节模拟件试验得到的认识能够广泛适用于各种参数条件下的真实结构设计。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种用于刻画叶身与缘板过渡处结构细节的疲劳试验件，以解决上述现有技术存在的问题，能够模拟叶身与缘板过渡特征，进行高温保载疲劳试验的试样，重点解决试样的几何设计与所模拟特征达到几何相似，对叶片叶身与缘板过渡特征细节刻画完备；在轴向拉伸载荷下，试样叶背特征模拟段应力分布与叶片在离心载荷下叶背应力分布相似，叶背特征模拟段与叶身与缘板过渡特征模拟段结合设计表征叶片叶身与缘板过渡处应力集中及应力梯度特征。同时通过改变所述叶身与缘板过渡特征模拟段叶背曲率和过渡倒角的组合，获得不同的应力集中
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应力梯度特征，可以涵盖真实结构特征的设计边界。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：本专利技术提供一种用于刻画叶身与缘板过渡处结构细节的疲劳试验件，其特征在于：包括顺次连接的上夹持段、上圆弧过渡段、叶背特征模拟段、叶身与缘板过渡特征模拟段、缘板特征模拟段、下圆弧过渡段和下夹持段，所述上夹持段与叶背特征模拟段之间通过上圆弧过渡段过渡连接，所述下夹持段与缘板特征模拟段之间通过下圆弧过渡段过渡连接；所述叶背特征模拟段采用双凸面设计，且两凸面沿厚度方向对称，两凸面之间采用圆弧过渡；所述叶身与缘板过渡特征模拟段采用圆角过渡。
[0008]优选地，所述叶背特征模拟段采用双凸面设计，两凸面之间通过小圆弧过渡，与标距段是圆棒或平板设计的试样不同，所述模拟件叶背特征模拟段横截面为椭圆形，作用是在中轴线位置产生应力集中。
[0009]优选地，所述叶背特征模拟段沿轴向采用变截面设计，从上圆弧过渡段至叶身与缘板过渡特征模拟段横截面积逐渐减小，两侧小圆弧顶点连线为样条曲线而非直线。
[0010]优选地，所述缘板特征模拟段采用等截面设计，横截面为椭圆形，椭圆长轴顶点与叶背特征模拟段两侧小圆弧顶点平滑过渡，无缺口或几何突变特征。
[0011]优选地，所述叶身与缘板过渡特征模拟段，由叶背特征模拟段与圆弧倒角构成，圆弧倒角沿宽度方向变化，由中轴向两侧逐渐较小，但曲率半径不变，作用是沿宽度方向产生所需的应力分布。
[0012]优选地，所述叶身与缘板过渡特征模拟段叶背曲率和过渡圆倒角组合搭配，设计不同的叶背曲率和倒角半径组合产生不同的应力分布。
[0013]本专利技术相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
[0014]本专利技术的用于刻画叶身与缘板过渡处结构细节的疲劳试验件，模拟件包括叶背特征模拟段，采用双凸面设计模拟叶背特征，沿着轴向采用锥面设计，使最大应力点位于叶背特征模拟段和叶身与缘板过渡特征模拟段过渡处，与实际叶片在离心载荷下的应力分布相似。双凸面左右两侧通过圆弧段过渡，形成模拟前缘。在纵向拉伸载荷下，由于模拟前缘的存在，应力由双凸面顶点向两侧对称减小。叶背特征模拟段与叶根截面叶背危险点几何相似，并且刻画了叶背危险点在离心载荷作用下的应力集中和应力梯度特征。叶身与缘板过渡特征模拟段遵循几何相似原则，以圆弧倒角表征叶片叶身与缘板过渡特征，通过设计不同的圆角半径得到不同的应力集中系数，利用不同的应力集中系数试样进行保载疲劳试验建立损伤模型，可适用于各种典型应力集中参数设计的叶片，并对叶片叶身与缘板过渡特征的保载疲劳破坏机理产生更接近真实服役状态的认识。
附图说明
[0015]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0016]图1为叶身与缘板过渡特征模拟件等轴测示意图；
[0017]图2为叶身与缘板过渡特征模拟件整体结构示意图；
[0018]图3为叶身与缘板过渡特征模拟件在轴向拉伸载荷下试样整体应力分布云图；
[0019]图4中，a为涡轮叶片在离心载荷下叶背在叶根截面应力沿弦向分布，b为试样在纵向拉伸载荷下叶身与缘板过渡特征模拟段沿宽度方向归一化应力分布，图4用于说明所设计试样在轴向拉伸载荷下与叶片在离心载荷下关键区域应力相似；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于刻画叶身与缘板过渡处结构细节的疲劳试验件，其特征在于：包括顺次连接的上夹持段、上圆弧过渡段、叶背特征模拟段、叶身与缘板过渡特征模拟段、缘板特征模拟段、下圆弧过渡段和下夹持段，所述上夹持段与叶背特征模拟段之间通过上圆弧过渡段过渡连接，所述下夹持段与缘板特征模拟段之间通过下圆弧过渡段过渡连接；所述叶背特征模拟段采用双凸面设计，且两凸面沿厚度方向对称，两凸面之间采用圆弧过渡；所述叶身与缘板过渡特征模拟段采用圆角过渡。2.根据权利要求1所述的用于刻画叶身与缘板过渡处结构细节的疲劳试验件，其特征在于：所述叶背特征模拟段横截面为椭圆形。3.根据权利要求1所述的用于刻画叶身与缘板过渡处...

【专利技术属性】
技术研发人员：李振磊，徐浩，石多奇，杨晓光，齐红宇，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：