1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，堪稱(chēng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心組件，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間，承擔(dān)著遠(yuǎn)超一般部件的載荷，且工況復(fù)雜程度jigao。像周期性載荷、離心力引發(fā)的離心載荷、氣流帶來(lái)的氣流載荷以及熱載荷等，都是它在運(yùn)行時(shí)需要承受的。由于渦輪葉片的形狀不規(guī)則，屬于復(fù)雜的空間曲面結(jié)構(gòu)，因此在多種載荷的共同作用下，葉片的多個(gè)部位容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。一旦交變應(yīng)力的大小超出葉片材料的疲勞極限，葉片就可能在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)產(chǎn)生疲勞裂紋，進(jìn)而逐步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致疲勞斷裂，這將對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性造成嚴(yán)重影響。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片疲勞斷裂失效

因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)及使用壽命，與航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能息息相關(guān)。深入探究葉片的疲勞性能，有助于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性與安全性。而在表征葉片疲勞性能的眾多參數(shù)中，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片疲勞極限是zuiwei關(guān)鍵的一個(gè)，同時(shí)它也是發(fā)動(dòng)機(jī)葉片振動(dòng)疲勞試驗(yàn)中必須獲取的數(shù)據(jù)，并且為確保葉片疲勞試驗(yàn)的規(guī)范性和準(zhǔn)確性，相關(guān)部門(mén)制定了專(zhuān)門(mén)的規(guī)程來(lái)規(guī)定葉片的疲勞試驗(yàn)方法，如HB5227-2021《發(fā)動(dòng)機(jī)葉片及材料振動(dòng)疲勞試驗(yàn)方法》。

對(duì)葉片進(jìn)行振動(dòng)疲勞試驗(yàn)往往在電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)上完成。試驗(yàn)時(shí)，將葉片固定在專(zhuān)用夾具上，然后將專(zhuān)用夾具剛性固定在振動(dòng)臺(tái)上，振動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件帶動(dòng)夾具與葉片一起振動(dòng)。振動(dòng)臺(tái)輸出固定頻率的正弦波激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)葉片進(jìn)行同樣頻率的正弦振動(dòng)。電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)激勵(lì)葉片進(jìn)行振動(dòng)疲勞試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)示意及安裝如下圖所示。

葉片固定在振動(dòng)臺(tái)面上

根據(jù)材料的疲勞損傷理論，裂紋一般出現(xiàn)在產(chǎn)品的zuida應(yīng)力點(diǎn)位置，而葉片疲勞試驗(yàn)具有如下特點(diǎn)：

u  在進(jìn)行葉片振動(dòng)疲勞試驗(yàn)時(shí)，必須確定葉片上zuida振動(dòng)應(yīng)力點(diǎn)的位置以及應(yīng)力大小，一般zuida應(yīng)力點(diǎn)常位于葉根倒圓處且應(yīng)力較為集中；

u  疲勞極限測(cè)量位于中長(zhǎng)壽命區(qū)，壽命基數(shù)較長(zhǎng)，也稱(chēng)為高周疲勞試驗(yàn)；

u  為了節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間、并更真實(shí)地模擬振動(dòng)環(huán)境，通常疲勞極限測(cè)量是通過(guò)激發(fā)葉片在一階彎曲共振實(shí)現(xiàn)的，試驗(yàn)頻率根據(jù)葉片大小及材料決定，一般分布在幾十Hz至4000Hz（葉片尺寸短而厚）左右。

2 高周振動(dòng)疲勞試驗(yàn)

工作葉片的疲勞壽命與疲勞強(qiáng)度一般需通過(guò)試驗(yàn)方法獲取，即利用激振設(shè)備，使得葉片在一階共振頻率下發(fā)生共振，并在共振頻率處進(jìn)行耐振試驗(yàn)，對(duì)葉片的疲勞特性和耐久性進(jìn)行考核評(píng)估。漢航NTS.LAB VCS共振搜索與駐留（RSTD）試驗(yàn)?zāi)軌騾f(xié)助工程師精準(zhǔn)定位葉片的共振頻率點(diǎn)，并在共振處進(jìn)行駐留以檢測(cè)試件的抗疲勞性和耐久性。共振頻率通常由正弦掃頻試驗(yàn)確定，在試驗(yàn)過(guò)程中，由于葉片累積損傷，這些頻率經(jīng)常會(huì)發(fā)生偏移，造成共振峰的下降。這種共振峰的變化，成為判斷葉片是否發(fā)生疲勞的一種行之有效的方法。

由于疲勞導(dǎo)致的共振峰下降

因此，為了在試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)保持共振，跟蹤共振頻率的變化并相應(yīng)地調(diào)整駐留頻率是很重要的。RSTD試驗(yàn)中進(jìn)行駐留試驗(yàn)時(shí)，其駐留方法包括振幅峰值跟蹤和相位跟蹤，振幅峰值跟蹤和相位跟蹤的駐留方法更能有效地真實(shí)地跟蹤到不斷變化的共振點(diǎn)，從而對(duì)試件進(jìn)行zuiyouxiao的RSTD試驗(yàn)，以充分暴露其結(jié)構(gòu)缺陷。當(dāng)共振峰偏移至初始值一定范圍時(shí)（HB5227-2021規(guī)定，當(dāng)頻率偏移量為初始頻率1%時(shí)，試驗(yàn)停止），可判斷葉片發(fā)生疲勞損傷，此時(shí)軟件會(huì)自動(dòng)停止試驗(yàn)，并記錄循環(huán)周期數(shù)。

頻率偏移容差設(shè)置

2.1 共振定義

當(dāng)單自由度有阻尼系統(tǒng)受到頻率為ω的簡(jiǎn)諧力激勵(lì)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，共振的定義是系統(tǒng)的響應(yīng)與外部激勵(lì)之比在某個(gè)頻率上為zuida值，而該頻率也就是所謂的共振頻率，所以共振頻率指的是系統(tǒng)進(jìn)行受迫振動(dòng)時(shí)外部激勵(lì)的頻率。其共振響應(yīng)分為位移響應(yīng)、速度響應(yīng)和加速度響應(yīng)，其在共振處的表達(dá)式為：

其中ω_n，ξ為系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比，可以看出位移共振頻率比固有頻率略低，速度共振頻率等于固有頻率，而加速度共振頻率比固有頻率稍高。對(duì)于常見(jiàn)的小阻尼系統(tǒng)，上述幾組共振頻率相差很小，約等于系統(tǒng)的固有頻率，即掃頻或?qū)拵щS機(jī)試驗(yàn)測(cè)試出來(lái)的共振頻率。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)葉片共振搜索與駐留試驗(yàn)

通常情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片高周疲勞試驗(yàn)，需要使用激光位移傳感器及若干應(yīng)變片。對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行共振搜索時(shí)，可以將控制器的驅(qū)動(dòng)電壓作為參考信號(hào)（也可以在振動(dòng)臺(tái)面上布置加速度傳感器作為參考信號(hào)），布置在葉片葉尖位置的位移傳感器作為響應(yīng)傳感器，并計(jì)算它們的傳遞率函數(shù)，得到系統(tǒng)的共振頻率。

共振搜索與駐留傳感器布置

共振搜索與駐留試驗(yàn)的基本試驗(yàn)流程如下:

①　通過(guò)正弦掃頻試驗(yàn)，計(jì)算頻響函數(shù)（傳遞函數(shù)）以確定振動(dòng)臺(tái)上被測(cè)件的共振峰值和相位。

②　用確定的共振頻率、品質(zhì)因子和相位建立一個(gè)駐留表。

共振搜索與駐留表

③　在表中添加共振駐留計(jì)劃的量級(jí)和持續(xù)時(shí)間。

④　在共振峰周?chē)_定掃頻上限和下限，超出峰值頻率將不在搜索，試驗(yàn)停止。

幅值/相位跟蹤

⑤　在定義的共振峰區(qū)間內(nèi)，找到共振峰，并以此頻率做共振疲勞試驗(yàn)，直至試驗(yàn)到達(dá)規(guī)定時(shí)間或者共振峰偏離設(shè)置的區(qū)間，試驗(yàn)停止，并記錄其周期數(shù)。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)葉片高周疲勞測(cè)試案例

為了考核某款發(fā)動(dòng)機(jī)葉片可靠性，在規(guī)定應(yīng)力量級(jí)下運(yùn)行的相應(yīng)循環(huán)數(shù)，驗(yàn)證產(chǎn)品是否發(fā)生疲勞損傷，某單位使用漢航NTS.LAB VCS共振搜索與駐留模塊對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，具體可分為如下步驟：

葉片疲勞試驗(yàn)步驟及葉片安裝示意圖

u 共振搜索

在葉片共振頻率處，臺(tái)面很小的基礎(chǔ)激勵(lì)下，即可引起葉片葉尖較大的振動(dòng)位移響應(yīng)?；诖?，使用臺(tái)面上的加速度傳感器控制振動(dòng)臺(tái)面做小量級(jí)的掃頻試驗(yàn)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)葉尖的位移響應(yīng)，通過(guò)位移響應(yīng)與激勵(lì)輸入的比值峰值得到葉片的一階共振頻率，如下圖所示：

正弦掃頻試驗(yàn)：共振搜索

試驗(yàn)研究的葉片為阻尼較小的合金材料，因此其共振峰呈現(xiàn)出窄而高的特點(diǎn)，其一階共振頻率在336Hz附近，基于半功率帶寬計(jì)算，其阻尼比為0.177%，符合試驗(yàn)預(yù)期。

u zuida應(yīng)力標(biāo)定

在搜索到一階共振頻率后，在葉片根部及中部均勻布置應(yīng)變片，設(shè)置不同的葉尖振幅，在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行閉環(huán)控制試驗(yàn)，此時(shí)使用漢航IVS8振動(dòng)控制板卡，不僅可以采集振動(dòng)加速度和位移信號(hào)，同時(shí)可直接采集應(yīng)變信號(hào)，只需在軟件配置應(yīng)變片橋路及彈性模量，即可直接輸出測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力大小。

NTS.LAB VCS應(yīng)變參數(shù)配置：橋路、線制、彈性模量等參數(shù)配置

在試驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變大小，獲取zuida應(yīng)變點(diǎn)。通過(guò)得到葉尖不同振幅下的zuida應(yīng)力值，利用最小二乘法進(jìn)行直線擬合，計(jì)算確定幅值與應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最終確定疲勞試驗(yàn)的葉尖控制位移。

NTS.LAB 應(yīng)力標(biāo)定：手動(dòng)輸入目標(biāo)葉尖振幅進(jìn)行閉環(huán)控制

不同葉尖振幅與zuida應(yīng)力點(diǎn)線性回歸方程擬合

u 共振激勵(lì)疲勞試驗(yàn)

基于zuida應(yīng)力標(biāo)定結(jié)果，設(shè)置葉尖振幅，并以此量級(jí)作為閉環(huán)控制，保證在整個(gè)共振駐留激勵(lì)期間，葉尖振幅的控制誤差保持在±1%范圍之內(nèi)（HB5227-2021規(guī)定）。在此過(guò)程中，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)葉尖振幅變化、運(yùn)行循環(huán)數(shù)、相位變化、共振頻率偏移，以此保證試驗(yàn)安全可靠的運(yùn)行下去。

某型號(hào)葉片的共振疲勞試驗(yàn)

實(shí)時(shí)顯示葉尖控制振幅和周期數(shù)，且葉尖振幅閉環(huán)控制誤差：小于±1%

4 總結(jié)

漢航NTS.LAB VCS共振搜索與駐留模塊，具備十分友好的操作界面，整個(gè)試驗(yàn)流程簡(jiǎn)便易行。借助這一模塊，能夠精準(zhǔn)定位測(cè)試產(chǎn)品的共振點(diǎn)，順利開(kāi)展產(chǎn)品振動(dòng)的頻響檢查（掃頻）。在成功確定共振點(diǎn)后，可進(jìn)行zuida應(yīng)力標(biāo)定，進(jìn)而明確最終的葉片振幅量級(jí)，為開(kāi)展高周疲勞考核試驗(yàn)做好充分準(zhǔn)備。

基于該實(shí)驗(yàn)方法，考核產(chǎn)品的疲勞強(qiáng)度，可對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性進(jìn)行驗(yàn)證、設(shè)計(jì)改良等方式，可顯著提升產(chǎn)品的可靠性水平，使其在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中更具優(yōu)勢(shì)。