预置裂纹定向凝固高温合金叶片的断裂特征分析

   引言
  
   航空发动机涡轮叶片在严酷的高应力条件下工作，其对材料性能的要求越来越高，在纵向上尤其如此。定向凝固叶片的出现满足了这种需求，同传统铸造叶片相比，其在纵向上具有更好的抗疲劳断裂性能。本次研究对象为某型发动机II级涡轮叶片，其材料为定向凝固高温镍基合金DZ4。在使用过程中，该叶片的进、排气边区域曾产生裂纹并导致断裂。
  
   为深人研究叶片断裂特征并找出断裂原因，开展了以下的试验研究及数值模拟工作。首先，采用紧凑拉伸试样测定了DZ4材料不同方向的断裂韧性Kic同时给出裂纹尖端应力强度因子Ki的计算表达式，并采用MSC. MARC进行了有限元计算。通过计算值与测量值之间的对比，验证了计算方法的准确性;其次，在预置裂纹叶片旋转破坏试验的基础上，建立了叶片在给定裂纹形式下的有限元模型，用以模拟叶片断裂时的状态，并计算出叶片裂纹尖端应力强度因子值;最后，根据故障叶片的瞬断区面积建立相应的计算模型，并在实际工作载荷下计算裂纹尖端的应力强度因子值。将叶片裂纹尖端的应力强度因子值同材料断裂韧性相比较，既可为叶片故障原因的判定提供科学依据，分析叶片断裂与材质、结构的关系，又为工程上构件的断裂分析提供了一种有效可靠的方法，以适应损伤容限定寿方式的需要。
  

   2裂纹尖端应力强度因子计算方法的验证
  
   叶片的结构形式及承受载荷都较为复杂，其应力强度因子只能通过数值方法获得，必须对数值结果的准确性进行考核，这项工作包括两方面的内容:试验研究及理论分析。
  
   首先，选取紧凑拉伸试验件，按照标准试验方法进行了DZ4材料断裂韧性的测试，试验件结构尺寸如图1所示。表1给出了DZ4材料紧凑拉伸试验件的断裂韧性值(L表示纵向，T表示横向)，表2为相关的材料数据。
  

   其次，通过获得的试验数据对算法进行考核。有限元程序MSC. MARC中提供了断裂力学分析模块，可以通过拓扑搜索的方式寻找裂纹尖端的J积分回路，进而计算出J积分，再根据小范围屈服下的平面应变关系式得到应力强度因子
  

   式中E为弹性模量，μ为泊松比，J为J积分。