航空涡喷、涡扇发动机 结构设计准则 研究报告 第3册 叶片PDF电子书下载

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第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 编制目的 1

1.3 国外概况 1

1.4 内容提要 2

参考文献 4

第2章 载荷和载荷谱 5

2.1 引言 5

2.2 作用于叶片上的载荷 5

2.2.1 压气机（含风扇）叶片上的载荷 5

2.2.2 涡轮转子叶片上的载荷 5

2.2.3 叶片上载荷的计算 5

2.3 发动机工作包线与叶片强度、寿命计算状态 8

2.4 叶片结构设计对载荷的要求 9

2.4.1 探索研究阶段结构设计对载荷的要求 9

2.4.2 先期发展阶段结构设计对载荷的要求 11

2.4.3 工程研制阶段结构设计对载荷的要求 12

2.5 叶片载荷谱 12

2.5.1 估算叶片设计使用寿命用的载荷谱 13

2.5.2 飞行载荷谱与发动机寿命试验 13

2.5.3 持久试车和加速任务试车用的载荷谱 15

2.5.4 定寿延寿用的载荷谱 15

参考文献 16

第3章 典型结构和新结构 17

3.1 引言 17

3.2 压气机工作叶片 18

3.2.1 压气机工作叶片叶身 18

3.2.2 压气机工作叶片与轮盘的连接 23

3.2.3 工作叶片在榫槽中的锁定 24

3.2.4 整体叶盘（Blisk） 27

3.3 压气机静子叶片 27

3.3.1 叶片形状 28

3.3.2 静子叶片与整流器内、外环的连接结构 28

3.3.3 整流器与机匣、封严环间的连接 29

3.4 涡轮工作叶片 29

3.4.1 涡轮工作叶片的叶身 30

3.4.2 榫头（叶根） 32

3.4.3 中间叶根 33

3.4.4 叶片在轮盘中的锁定 34

3.4.5 涡轮的整体叶盘 34

3.4.6 叶片用的减振阻尼块 34

3.4.7 涡轮工作叶片的冷却 34

3.4.8 工作叶片毛坯加工方法 35

3.5 涡轮导向器叶片 36

3.5.1 传力导向器 36

3.5.2 不传力的导向器 37

3.5.3 复合倾斜的导向器叶片 38

3.5.4 导向器叶片的冷却结构 38

参考文献 39

第4章 典型故障模式和影响分析（FMEA/FMECA） 67

4.1 引言 67

4.2 故障实例 67

4.3 故障模式和影响分析表 69

参考文献 69

第5章 设计准则 80

5.1 引言 80

5.2 满足静强度和变形的要求 81

5.2.1 强度储备的确定原则 81

5.2.2 发动机设计中的限制载荷和极限载荷 83

5.2.3 对发动机叶片强度和变形的设计要求 84

5.3 提供足够的低循环疲劳寿命 86

5.3.1 叶片上的载荷状态 87

5.3.2 转子叶片低循环疲劳设计要求与保证 88

5.3.3 静子叶片的设计要求与保证 93

5.3.4 低循环疲劳寿命预测、验证及材料数据要求 96

5.4 防止高循环疲劳 97

5.4.1 防止共振 98

5.4.2 防止颤振 102

5.4.3 防止抖振 106

5.4.4 高循环疲劳 107

5.5 提供足够的蠕变/应力断裂寿命 110

5.5.1 蠕变载荷状态 110

5.5.2 叶片抗蠕变设计要求与保证 112

5.5.3 叶片蠕变计算、试验和评估要求 118

5.6 提供足够的抗氧化/腐蚀能力 122

5.6.1 压气机叶片的腐蚀环境分析 122

5.6.2 压气机叶片的选材及相应的防护措施 123

5.6.3 涡轮叶片的热腐蚀 124

5.6.4 涡轮叶片的防护涂层 126

5.6.5 隔热涂层叶片寿命研究 129

5.7 提供足够的抗外物损伤能力 132

5.7.1 外物对叶片损伤的形式与后果 132

5.7.2 材料及叶片结构形式的考虑 133

5.7.3 叶片外物损伤变量预测和限制 133

5.7.4 抗外物损伤能力的保证和考虑 136

参考文献 137

第6章 设计分析方法 139

6.1 引言 139

6.2 叶片常规计算方法——名义应力法 140

6.2.1 由叶片离心力所引起的应力 140

6.2.2 气动力产生的弯矩 140

6.2.3 由离心力产生的弯矩 141

6.2.4 离心力弯矩对气动力弯矩补偿 141

6.2.5 叶片截面面积、重心坐标、惯性矩及叶片截面的抗弯断面系数的确定 142

6.2.6 叶片的弯曲应力 142

6.2.7 涡轮叶片的计算特点 142

6.2.8 叶片榫头强度计算 142

6.3 叶片线弹性和热弹性有限元分析方法 144

6.3.1 叶片用薄壳单元的线弹性分析方法 144

6.3.2 叶片用厚壳单元的线弹性分析方法 146

6.3.3 叶片三维热弹性有限元分析方法 146

6.4 叶片三维热弹塑性和蠕变有限元分析方法 150

6.4.1 叶片三维热弹塑性有限元分析方法 150

6.4.2 叶片三维热弹塑性蠕变有限元分析方法 154

6.5 定向结晶和单晶涡轮叶片的热弹性蠕变有限元分析方法 158

6.5.1 定向结晶材料叶片的本构关系 159

6.5.2 确定定向结晶叶片工程弹性常数的wells方法 162

6.5.3 各向异性叶片材料的弹塑性矩阵[Dep] 168

6.5.4 各向异性材料叶片的蠕变计算分析方法 171

6.6 叶片的接触分析 171

6.6.1 计算模型和总体坐标系的选取 171

6.6.2 边界条件处理及方程组的形成 171

6.6.3 接触类型的判定 175

6.6.4 方程组求解 175

6.7 叶片振动分析 176

6.7.1 固有振动特性的有限元分析 176

6.7.2 叶片共振分析 179

6.7.3 叶片振动响应分析 181

6.8 叶/盘耦合振动 184

6.8.1 用模群法分析叶/盘耦合振动 184

6.8.2 子结构联立迭代法与旋转态叶/盘耦合动力分析 185

6.8.3 叶/盘共振 185

6.9 叶片颤振分析 186

6.9.1 颤振发作的判据 186

6.9.2 叶片弯扭耦合颤振计算 188

6.9.3 叶片颤振预估计算 190

6.10 高循环疲劳分析 193

6.10.1 高循环疲劳特征 194

6.10.2 等寿命设计方法 194

6.10.3 多向疲劳应力 199

6.11 叶片蠕变/应力断裂寿命预测方法 201

6.11.1 寿命计算分析方法 201

6.11.2 涡轮叶片蠕变寿命预测 205

6.12 叶片低循环疲劳寿命预测方法 208

6.12.1 低循环疲劳基本知识 209

6.12.2 基于Manson-Coffin方程的低循环疲劳寿命预测方法 211

6.12.3 时间和循环分数法 216

6.12.4 应变范围划分（SRP）法 216

6.13 叶片结构设计分析中的推荐程序 218

6.13.1 MSC/NASTRAN大型通用程序的功能和特点 219

6.13.2 ABAQUS大型非线性通用程序功能和特点 220

参考文献 220

第7章 材料和工艺 222

7.1 引言 222

7.2 叶片材料的选择原则 222

7.2.1 压气机转子叶片材料的选择 222

7.2.2 压气机静子叶片材料的选择 223

7.2.3 涡轮转子叶片材料的选择 223

7.2.4 涡轮导向叶片材料的选择 224

7.2.5 叶片选材的代料原则 225

7.3 对叶片材料的要求 225

7.3.1 对叶片材料性能参数的要求 225

7.3.2 对叶片材料在冶金工艺等方面的要求 228

7.3.3 材料数据库清单的制订 229

7.4 关键工艺及对材料性能的影响 230

7.4.1 毛坯工艺 230

7.4.2 焊接 231

7.4.3 热处理 232

7.4.4 小孔加工 232

7.4.5 表面最终加工工艺 233

7.4.6 喷丸和涂层 233

7.5 叶片表面强化和保护要求 234

7.5.1 叶片表面层质量 234

7.5.2 叶片表面强化与保护 234

7.5.3 叶片涂层材料的选择 235

7.5.4 叶片材料的薄壁效应与设计要求 235

7.6 延寿措施及其对材料、工艺的要求 235

7.6.1 表面涂层 236

7.6.2 防止微动磨损 236

参考文献 237

第8章 试验验证 238

8.1 引言 238

8.2 试验类别、方法、设备及测量 239

8.2.1 试验类别 239

8.2.2 仪器测量方法的有效性 239

8.2.3 测试手段 240

8.3 应力及变形测量试验 243

8.3.1 目的 243

8.3.2 内容 243

8.3.3 方法 243

8.4 结构光弹模型试验 244

8.4.1 目的 244

8.4.2 内容 244

8.4.3 方法 244

8.5 振动特性试验 245

8.5.1 目的 245

8.5.2 内容 246

8.5.3 方法 247

8.6 叶/盘耦合振动试验 247

8.6.1 目的 247

8.6.2 内容及方法 247

8.7 高循环疲劳试验 249

8.7.1 目的 249

8.7.2 内容 249

8.7.3 方法 249

8.8 低循环疲劳试验与结构疲劳试验 250

8.8.1 目的 250

8.8.2 内容及方法 250

8.9 气冷叶片的专项试验 251

8.9.1 目的 251

8.9.2 内容及方法 251

8.10 转子叶片部件及台架的试验 252

8.10.1 目的 252

8.10.2 内容及方法 252

8.11 静子叶片台架试验 258

8.11.1 目的 258

8.11.2 内容及方法 258

8.12 抗外物损伤试验 260

8.12.1 目的 260

8.12.2 内容 260

8.12.3 方法 260

8.13 试车及飞行考核试验中的监测与监控 260

8.13.1 目的 261

8.13.2 内容 261

8.13.3 方法 261

参考文献 262

第9章 评定标准 263

9.1 引言 263

9.2 应力标准 263

9.2.1 屈服 263

9.2.2 蠕变 264

9.2.3 持久强度 264

9.3 短期变形限制标准 268

9.3.1 弹性变形 268

9.3.2 转子完整性 268

9.4 蠕变变形限制标准 269

9.4.1 叶片蠕变伸长量 269

9.4.2 叶片蠕变翘曲 269

9.5 振动和疲劳强度评定标准 269

9.5.1 振动 269

9.5.2 疲劳强度 270

9.6 颤振评定标准 272

9.6.1 亚/跨音失速颤振 272

9.6.2 超音速非失速颤振 273

9.6.3 A100型颤振 273

9.6.4 超音速失速颤振 273

9.6.5 堵塞颤振 273

9.7 低循环疲劳寿命评定标准 274

9.7.1 安全寿命要求 275

9.7.2 低循环疲劳寿命评定 275

9.7.3 损伤容限要求 275

9.8 吞鸟和外来物/内来物损伤评定标准 276

9.8.1 吞鸟 276

9.8.2 外来物/内来物 277

参考文献 277

第10章 风险评定 279

10.1 引言 279

10.2 风险定义及风险评定目的和要求 280

10.2.1 风险定义 280

10.2.2 风险评定的影响因素 280

10.2.3 风险评定目的 280

10.3 叶片风险评定办法 281

10.3.1 叶片风险评定的阶段与目标 281

10.3.2 叶片风险评定的基本方法 283

10.3.3 叶片风险评定的主要内容 283

10.4 叶片风险评定试例 283

参考文献 290

第11章 计划网络 291

11.1 引言 291

11.2 探索研究阶段 291

11.2.1 初步分析和设计 291

11.2.2 可行性试验和分析 292

11.3 先期发展阶段 293

11.3.1 初步评定 293

11.3.2 部件设计和验证 294

11.3.3 试验机试验验证 295

11.4 工程研制阶段 295

11.4.1 叶片结构设计要求 296

11.4.2 发动机初步设计 296

11.4.3 气动和结构试验器试验 297

11.4.4 全台发动机结构的环境验证 298

11.4.5 飞行考核试验 298

11.4.6 发动机工作寿命评定 299

11.5 叶片结构设计准则计划网络框图 299

11.5.1 探索研究阶段网络框图 299

11.5.2 先期发展阶段网络框图 299

11.5.3 工程研制阶段网络框图 299

参考文献 303

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