多轴载荷下航空发动机榫连接微动损伤演化机理及预测方法研究

Fretting damage is one of the main factors leading to the failure of aero-engine dovetail joints. The present researches mainly focus on the mechanism of fretting damage under constant normal load. However, dovetail joints usually work under multi-axial loading. Therefore, the mechanism and damage mechanism have undergone tremendous changes, and the existing fretting damage theory cannot effectively predict the damage behavior of dovetail joints. This project conducts theoretical and experimental research on the mechanism and evolution behavior of fretting damage under multi-axis loading conditions. A biaxial loading fretting fatigue test under proportional and non-proportional loading conditions is carried out in order to analyze the fretting fatigue and fretting wear behavior under macro-microscopic multi-scale level. The relationship between fretting dynamic characters and failure mode is investigated to establish a fretting map theory under multi-axis loading state. Based on the damage mechanics, the fatigue damage and wear damage constitutive model based on critical plane method and Archard wear model is established respectively. A fatigue-wear competition criterion is constructed to clarify fretting evolution and damage mechanism. A prediction method of fretting damage evolution under multi-axis loading is established based on comprehensively considering the fatigue-wear competition mechanism and the wear-stress field coupling relationship. By revealing the macroscopic fretting running regime and the microscopic fretting damage mechanism under multi-axial load, it provides theoretical support for improving the durability and reliability of the aero-engine dovetail joints in China.

微动损伤是导致航空发动机榫连接失效的主要因素之一，大多数研究仅考虑了恒定法向载荷对其微动损伤的影响，而榫连接通常在多轴载荷作用下工作，导致微动运行机制和损伤机理发生巨大改变，现有的微动损伤理论不能有效预测榫连接的损伤行为。本课题针对多轴加载条件下微动损伤机理和演化行为进行理论和试验研究。开展比例与非比例加载条件下双轴微动疲劳试验，对微动疲劳和磨损行为进行宏微观多尺度分析；考察微动结构动力学特性与失效模式的关系，建立适用于多轴加载状态的微动图理论；以损伤力学为基础，建立基于多轴疲劳临界面法和Archard磨损模型的疲劳及磨损损伤本构模型，进而构建疲劳-磨损竞争机制判据，阐明微动演化动力和损伤机理；综合考虑疲劳-磨损竞争机制和磨损-应力场耦合关系，建立多轴加载下微动损伤演化预测方法。通过揭示多轴载荷作用下微动宏观运行机制和微观损伤机理，为提高我国航空发动机榫连接结构耐久性和可靠性提供理论支撑。

微动损伤是导致航空发动机榫连接失效的主要因素之一。随着发动机运行状态和气动载荷的不断变化，叶片的工作状态也不断变化，叶片榫头和轮盘榫槽的连接接触区受到交变法向载荷和切向载荷的共同作用，处于多轴加载状态。目前大多数研究仅考虑了恒定法向载荷对其微动损伤的影响，现有的微动损伤理论不能有效预测榫连接的损伤行为。.本课题针对多轴加载条件下微动损伤机理和演化行为进行理论和试验研究。主要研究内容及成果如下：.（1）设计了双轴加载微动疲劳试验系统，实现了对交变法向载荷加载工况的模拟。开展了比例与非比例加载条件下的双轴微动疲劳试验，应用SEM、EDS、三维形貌仪等表征手段对微动疲劳和磨损行为进行宏微观多尺度分析。.（2）建立了微动摩擦动力模型，对交变法向载荷与远端载荷共同作用下的微动运行机制进行了系统的分析。研究发现，在双轴正弦交变载荷作用下，法向载荷与远端载荷加载路径为椭圆方程，以此提出了Q-P曲线分析方法，实现了对双轴复杂加载状态下微动运行状态的表征，揭示了加载参数对微动运行机制的影响规律。.（3）对双轴加载条件下的微动损伤机理进行了深入研究，重点讨论了非比例加载条件下的微动疲劳损伤机理。应用多轴疲劳的临界面法构造微动损伤参量，研究了双轴加载相位差、微动垫支承刚度等因素对微动疲劳寿命、失效行为的影响。研究发现，上述因素直接影响微动接触区的应力场加载历程，进而导致微动损伤表现出有别于传统研究的新的特征。结合本课题所提出的Q-P曲线分析方法，揭示了双轴加载参数对微动损伤的影响规律和微动失效机理。.通过上述研究工作，更为全面的考察了工程实际应用中微动损伤与失效行为，拓展了微动疲劳的研究范围。初步揭示了交变法向载荷与远端载荷共同作用下微动的宏观运行机制和微观损伤机理。为复杂双轴加载条件下的微动失效机理、疲劳寿命预测等研究提供了新的试验手段、分析方法和理论基础。为提高我国航空发动机榫连接结构的耐久性和可靠性提供理论支撑。