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摘 要： 随着我国经济的不断发展，国家科技水平的不断提升，对高精尖技术的重视也是越来越有所增加，其中航空发动机的研发就是重点研究项目。航空发动机研发中最关键的部件之一就是涡轮叶片，对涡轮叶片的强度分析对航天器的飞行可靠性预测是非常重要的，通过对航空发动机涡轮叶片的强度分析来加强对航空发动机整体性能也是非常有意义的。在对航空发动机涡轮叶片的强度分析上一般可以采用对飞行任务剖面进行压缩处理，来获得有效飞行器的载荷数据，从而可以有助于实际工作强度的分析，也可以基于有限元分析方法来对叶片的疲劳损伤和寿命进行计算预测，从而可以对飞行器的工作寿命的提高做出有意义的工作。
关键词： 寿命；航空发动机；强度；有限元；涡轮叶片；载荷
【中图分类号】 V231 【文献标识码】 A 【文章编号】 2236-1879（2018）08-0222-02
当下，国家的综合实力不断提升，我国已经是世界第二大经济大国，而我国也是一个人口众多的，要在世界强国之林立足，就需要在高精尖技术方面的发展走在前列或者紧随状态，而航空发动机就是当下高科技制造的典型代表之一，其包括有材料、计算机、自动化以及机械等多学科的综合类工程，是衡量一个国家科技和军事水平的标志之一。涡轮叶片是作为航空发动机的一种关键部位，其工作环境非常恶劣，一般受到离心负荷、热负荷、空气振动负荷还有高温氧化和气体腐蚀的综合影响，同时刀片的数量非常多，因此航空发动机的经常会出现失效事故。有数据表明，在这些发动机出现的故障事件当中，转子叶片故障造成的故障占到的比例就达到70%以上了，所以涡轮叶片的重要性就不言而喻了。 所以对于航空发动机涡轮叶片可靠性和安全使用寿命的强度检查和预测寿命等具有非常重要的意义。
一、涡轮叶片强度分析
航空发动机载荷谱的编制是分析航空发动机涡轮叶片强度的重要工作，编制载荷谱是计算发动机部件强度和寿命评估、可靠性分析和测试评估而进行的一项载荷要素的组合工作，这是发动机在特定任务和使用情况下的发动机载荷参数的统计结果。 为了获得航空发动机的有效载荷潜力，一般是需要对发动机及其部件上的各种负载以时间间隔的方式来采集数据，包括有峰值和谷值的选择以及雨流计数的统计处理。 对于飞机结构，可以通过任务配置文件进行编辑载荷谱。一般而言，我们可以看到涡轮的构成部分是包括静子和转子的，顾名思义，静子就是不动的部件，其具有涡轮导向器，也有保护涡轮导向器的机匣，而转子就是负责转动的部件。由于涡轮具有两大重要的部件之静子和转动的转子，它的工作过程包括刚开始的燃烧室涌出的具有非常高温度和高压的快速燃气，出来的燃气在静子叶片中穿过，保护部件的整齐排列的机匣会对穿过的气流方向进行调整，从而可以得到工作需要的攻角和速度，最后会流到转动的转子叶片上，从而带动涡轮轮轴进行扭动，带动轮盘转动，运行涡轮发动机。飞行任务剖面主要需要的参数是飞行速度、涡轮转速以及燃气涡轮前后温度，这些数据的获得是在发动机进行一次起落循环过程中，测试它们随着时间的变化，根据这些数据就可得到飞机的任务剖面了。编制载荷谱就是需要这些基础而重要的数据。一般典型的飞行任务剖面主要有包括去伪读数、峰谷值检测、无效幅值去除这些方面：
1.去伪读数。航空发动机如果在飞行时，我们就可以得到飞行时的各种运行状态的载荷参数，然后通过专业的监测仪器来记录下来这些宝贵数据，当然也因为是在现场记录的，从而会带来一些系统本身难以避免的误差。如果可以消除编程的负载的误差，那么编制的载荷谱会更真实，因为有误差的话会影响发动机受载的本质的反映效果，更重要是会影响对发动机的强度分析和寿命预测。 所以，在编制载荷谱时，要对这方面的误差有所重视，并认真分析研究结果，去掉伪读数。
2. 峰谷值检测。发动机在飞行时，通常有以下内容：从发动机起动到发动机停车过程中设定的时间内，大气温度，飞行高度，飞行速度，发动机转速，发动机涡轮温度差异历史记录，这些都是飞行任务剖面所需要的数据。对这些飞行数据参数的时间历程曲线进行峰值和谷值的选择，对载荷谱的编制很重要。在循环载荷谱中，峰值和谷值的数据是可以表征载荷谱本质属性的，对涡轮叶片的强度分析也是非常重要的。
3.无效幅值去除。在飞行参数时间历程曲线中，很容易发现一些时间区间微小的、变化频率极高的、峰值和谷值相差不大的发动机载荷数据，对这些出现的变化数据是很普遍的，这些可能是由于大气条件或者复杂因素的影响，但对这些数据进行无效幅值的处理-去除，是保证获得高效简洁载荷谱是重要的。
二、涡轮叶片的应力分析
国内外学者做了大量关于高温构件发生蠕变失效而产生的寿命损耗方面的研究，提出了很多蠕变寿命损耗模型。目前绝大多数的蠕变模型可以分为两类，一类是以试验结果数据为基础对其进行数学描述，可以称之为参数唯象模型；另一类则是从蠕变材料本身的物理意义出发，建立相关的力学和热力学物理模型。涡轮叶片危险部位的应力应变历程是预测涡轮叶片寿命的重要数据，其计算结果正确与否与涡轮叶片寿命预测的精度有直接关系。目前确定局部应力应变历程的方法主要有三种：（1）试验方法；（2）近似计算方法；（3）有限元方法。本文将对有限元方法来分析涡轮叶片的寿命性能进行研究。对带有复杂的冷却空腔和各种冷却孔大齿枞树型斜样厚叶片进行有限元模型构建，参考图1，2图。
通过对涡轮转子叶片的变形和应力采用ANSYS软件进行计算，再结合转速为14460rpm时涡轮转子叶片在离心载荷和热负荷下应力分布参考图2。可以得出叶片的应力结果，在设计转速状态下，除去榫头部分后，叶背的当量应力水平较叶盆的当量应力水平高，且叶盆、叶背的最大应力点的位置都出现在叶身根部区域。接下来采用基于应力的疲劳寿命分析方法来分析发动机的寿命预测。
1. 涡轮叶片的S-N曲线的确定。
EGD-3应力标准使用组件的测试获得S-N曲线，从而来预测寿命，因为没有发动机涡轮叶片测试件的S-N曲线。 所以本文将向EGD-3应力标准进行参考分析，其标准中具有最好和最差镍基盘的零一最大经验S-N曲线，所以也假设本文涡轮叶片也具有这样的零-最大经验S-N形式的曲线。其应力循环，就是表示循环应力从零到最大再到零的脉动循环。而航空发动机实际运行过程中，其涡轮叶片在飞机或发动机的一次起落工作循环中，只有一次零-最大-零的脉动循环，也是叫做一次主循环，这与发动机“启动-执行任务-停车”的工作过程中各个工作状态是对应化的。其余就叫做非脈动循环，主要体现在发动机执行任务的工作状态中，也就是所谓的多个次循环。因此，要利用S-N曲线寿命分析法计算涡轮叶片的疲劳寿命，就必须把非脉动循环转换成脉动循环， 对不同温度下的S-N曲线由相应温度下材料的极限拉伸强度来得到。
2.疲劳损伤累计准则。
Miner准则是当下工程应用的常用疲劳损伤累计准则，EDG-3应力标准就是采用Miner准则来进行谱载荷下的疲劳损伤累计计算。
基于S-N 曲线法的涡轮叶片寿命预估：对曲线进行方程拟合得到：
在上述7 次多项式中，令则所求的 Y 值即为等效脉动应力σ对应的疲劳寿命Τ。通过上述寿命预测方程，即可求得叶片在各个循环工作状态下的疲劳寿命。
三、总结
随着国家经济实力的不断上升，国际形态的多变性，航空发动机高精尖技术的发展具有重要的战略地位。航空涡轮部件的强度进行正确分析，都是关乎发动机的技术寿命可靠性的。编制载荷谱是计算发动机部件强度和寿命评估、可靠性分析和测试评估而进行的一项载荷要素的组合工作，典型的飞行任务剖面要关注去伪读数、峰谷值检测、无效幅值去除等方面。涡轮叶片寿命预测也是需要结合计算机方面的有限元方法来帮助得到寿命可参考值。
参考文献
[1] 王轶凡. 航空发动机涡轮盘的寿命预测及可靠性研究[D]. 大连理工大学， 2017.
[2] 王三民， 袁茹， 付娜. 航空发动机涡轮叶片的强度分析与寿命预估[C]// 全国机械设计年会. 2006.
[3] 高靖云， 张成成， 侯乃先，等. 考虑应力松弛的单晶涡轮叶片蠕变疲劳寿命预测[J]. 航空动力学报， 2016， 31（3）：539-547.
[4] 胡晓安， 石多奇， 庞学佳，等. 某涡轮叶片热障涂层的寿命预测方法[J]. 航空动力学报， 2018， 33（1）：48-53.
关键词： 寿命；航空发动机；强度；有限元；涡轮叶片；载荷
【中图分类号】 V231 【文献标识码】 A 【文章编号】 2236-1879（2018）08-0222-02
当下，国家的综合实力不断提升，我国已经是世界第二大经济大国，而我国也是一个人口众多的，要在世界强国之林立足，就需要在高精尖技术方面的发展走在前列或者紧随状态，而航空发动机就是当下高科技制造的典型代表之一，其包括有材料、计算机、自动化以及机械等多学科的综合类工程，是衡量一个国家科技和军事水平的标志之一。涡轮叶片是作为航空发动机的一种关键部位，其工作环境非常恶劣，一般受到离心负荷、热负荷、空气振动负荷还有高温氧化和气体腐蚀的综合影响，同时刀片的数量非常多，因此航空发动机的经常会出现失效事故。有数据表明，在这些发动机出现的故障事件当中，转子叶片故障造成的故障占到的比例就达到70%以上了，所以涡轮叶片的重要性就不言而喻了。 所以对于航空发动机涡轮叶片可靠性和安全使用寿命的强度检查和预测寿命等具有非常重要的意义。
一、涡轮叶片强度分析
航空发动机载荷谱的编制是分析航空发动机涡轮叶片强度的重要工作，编制载荷谱是计算发动机部件强度和寿命评估、可靠性分析和测试评估而进行的一项载荷要素的组合工作，这是发动机在特定任务和使用情况下的发动机载荷参数的统计结果。 为了获得航空发动机的有效载荷潜力，一般是需要对发动机及其部件上的各种负载以时间间隔的方式来采集数据，包括有峰值和谷值的选择以及雨流计数的统计处理。 对于飞机结构，可以通过任务配置文件进行编辑载荷谱。一般而言，我们可以看到涡轮的构成部分是包括静子和转子的，顾名思义，静子就是不动的部件，其具有涡轮导向器，也有保护涡轮导向器的机匣，而转子就是负责转动的部件。由于涡轮具有两大重要的部件之静子和转动的转子，它的工作过程包括刚开始的燃烧室涌出的具有非常高温度和高压的快速燃气，出来的燃气在静子叶片中穿过，保护部件的整齐排列的机匣会对穿过的气流方向进行调整，从而可以得到工作需要的攻角和速度，最后会流到转动的转子叶片上，从而带动涡轮轮轴进行扭动，带动轮盘转动，运行涡轮发动机。飞行任务剖面主要需要的参数是飞行速度、涡轮转速以及燃气涡轮前后温度，这些数据的获得是在发动机进行一次起落循环过程中，测试它们随着时间的变化，根据这些数据就可得到飞机的任务剖面了。编制载荷谱就是需要这些基础而重要的数据。一般典型的飞行任务剖面主要有包括去伪读数、峰谷值检测、无效幅值去除这些方面：
1.去伪读数。航空发动机如果在飞行时，我们就可以得到飞行时的各种运行状态的载荷参数，然后通过专业的监测仪器来记录下来这些宝贵数据，当然也因为是在现场记录的，从而会带来一些系统本身难以避免的误差。如果可以消除编程的负载的误差，那么编制的载荷谱会更真实，因为有误差的话会影响发动机受载的本质的反映效果，更重要是会影响对发动机的强度分析和寿命预测。 所以，在编制载荷谱时，要对这方面的误差有所重视，并认真分析研究结果，去掉伪读数。
2. 峰谷值检测。发动机在飞行时，通常有以下内容：从发动机起动到发动机停车过程中设定的时间内，大气温度，飞行高度，飞行速度，发动机转速，发动机涡轮温度差异历史记录，这些都是飞行任务剖面所需要的数据。对这些飞行数据参数的时间历程曲线进行峰值和谷值的选择，对载荷谱的编制很重要。在循环载荷谱中，峰值和谷值的数据是可以表征载荷谱本质属性的，对涡轮叶片的强度分析也是非常重要的。
3.无效幅值去除。在飞行参数时间历程曲线中，很容易发现一些时间区间微小的、变化频率极高的、峰值和谷值相差不大的发动机载荷数据，对这些出现的变化数据是很普遍的，这些可能是由于大气条件或者复杂因素的影响，但对这些数据进行无效幅值的处理-去除，是保证获得高效简洁载荷谱是重要的。
二、涡轮叶片的应力分析
国内外学者做了大量关于高温构件发生蠕变失效而产生的寿命损耗方面的研究，提出了很多蠕变寿命损耗模型。目前绝大多数的蠕变模型可以分为两类，一类是以试验结果数据为基础对其进行数学描述，可以称之为参数唯象模型；另一类则是从蠕变材料本身的物理意义出发，建立相关的力学和热力学物理模型。涡轮叶片危险部位的应力应变历程是预测涡轮叶片寿命的重要数据，其计算结果正确与否与涡轮叶片寿命预测的精度有直接关系。目前确定局部应力应变历程的方法主要有三种：（1）试验方法；（2）近似计算方法；（3）有限元方法。本文将对有限元方法来分析涡轮叶片的寿命性能进行研究。对带有复杂的冷却空腔和各种冷却孔大齿枞树型斜样厚叶片进行有限元模型构建，参考图1，2图。
通过对涡轮转子叶片的变形和应力采用ANSYS软件进行计算，再结合转速为14460rpm时涡轮转子叶片在离心载荷和热负荷下应力分布参考图2。可以得出叶片的应力结果，在设计转速状态下，除去榫头部分后，叶背的当量应力水平较叶盆的当量应力水平高，且叶盆、叶背的最大应力点的位置都出现在叶身根部区域。接下来采用基于应力的疲劳寿命分析方法来分析发动机的寿命预测。
1. 涡轮叶片的S-N曲线的确定。
EGD-3应力标准使用组件的测试获得S-N曲线，从而来预测寿命，因为没有发动机涡轮叶片测试件的S-N曲线。 所以本文将向EGD-3应力标准进行参考分析，其标准中具有最好和最差镍基盘的零一最大经验S-N曲线，所以也假设本文涡轮叶片也具有这样的零-最大经验S-N形式的曲线。其应力循环，就是表示循环应力从零到最大再到零的脉动循环。而航空发动机实际运行过程中，其涡轮叶片在飞机或发动机的一次起落工作循环中，只有一次零-最大-零的脉动循环，也是叫做一次主循环，这与发动机“启动-执行任务-停车”的工作过程中各个工作状态是对应化的。其余就叫做非脈动循环，主要体现在发动机执行任务的工作状态中，也就是所谓的多个次循环。因此，要利用S-N曲线寿命分析法计算涡轮叶片的疲劳寿命，就必须把非脉动循环转换成脉动循环， 对不同温度下的S-N曲线由相应温度下材料的极限拉伸强度来得到。
2.疲劳损伤累计准则。
Miner准则是当下工程应用的常用疲劳损伤累计准则，EDG-3应力标准就是采用Miner准则来进行谱载荷下的疲劳损伤累计计算。
基于S-N 曲线法的涡轮叶片寿命预估：对曲线进行方程拟合得到：
在上述7 次多项式中，令则所求的 Y 值即为等效脉动应力σ对应的疲劳寿命Τ。通过上述寿命预测方程，即可求得叶片在各个循环工作状态下的疲劳寿命。
三、总结
随着国家经济实力的不断上升，国际形态的多变性，航空发动机高精尖技术的发展具有重要的战略地位。航空涡轮部件的强度进行正确分析，都是关乎发动机的技术寿命可靠性的。编制载荷谱是计算发动机部件强度和寿命评估、可靠性分析和测试评估而进行的一项载荷要素的组合工作，典型的飞行任务剖面要关注去伪读数、峰谷值检测、无效幅值去除等方面。涡轮叶片寿命预测也是需要结合计算机方面的有限元方法来帮助得到寿命可参考值。
参考文献
[1] 王轶凡. 航空发动机涡轮盘的寿命预测及可靠性研究[D]. 大连理工大学， 2017.
[2] 王三民， 袁茹， 付娜. 航空发动机涡轮叶片的强度分析与寿命预估[C]// 全国机械设计年会. 2006.
[3] 高靖云， 张成成， 侯乃先，等. 考虑应力松弛的单晶涡轮叶片蠕变疲劳寿命预测[J]. 航空动力学报， 2016， 31（3）：539-547.
[4] 胡晓安， 石多奇， 庞学佳，等. 某涡轮叶片热障涂层的寿命预测方法[J]. 航空动力学报， 2018， 33（1）：48-53.