航空发动机飞附吊挂机匣裂纹的产生原因

魏雪莱,郑海亮,张成凯,王继业

(中国航发沈阳发动机研究所,沈阳 110015)

风扇是航空发动机的重要组成部件，主要作用是提升来流压力和温度[1]。风扇中的机匣具有固定静子叶片、附件，以及构成气流通道和传递发动机推力的重要作用，是发动机的主要承力框架。机匣多为尺寸精度较高的薄壁复杂结构，在发动机启动、停车、状态变化或飞机飞行姿态变化时，机匣承受着循环载荷的作用。由于长期工作在上述恶劣环境中，因此发动机的风扇机匣易产生裂纹，严重影响了发动机的使用安全[2]。因此，如何确定裂纹产生的原因，并提出合理的改进措施，一直都是结构设计人员重点关注的问题。

一些学者深入研究了航空发动机机匣裂纹产生的原因：吴宏春等[3]采用数值仿真和模态试验、动应力测试等方法，分析了机匣壳体上环形支撑台基体裂纹产生的原因，提出了增加加强筋和涂减振胶等解决措施；高志坤等[4]采用宏观观察和断口分析等方法，判定了某型铸件机匣基体裂纹的性质，并提出了增强浇注液流动性、排除冷隔缺陷和添加细化剂等改进建议；张弛等[5]利用故障树的方法对某型机匣支板裂纹产生的原因进行了研究，并提出了修改倾角尺寸和增加重熔层控制等改进措施；张博等[6]利用宏观观察、化学成分分析和力学性能测试等方法确定了某发动机壳体开裂的主要原因。目前对于非整环类吊挂机匣裂纹产生原因的研究较少。某型发动机飞附吊挂机匣基体产生了裂纹，笔者采用宏观观察、断口分析、应力分析和有限元模拟分析等方法，分析了裂纹产生的原因，并制定了相应的解决措施，以避免该类问题再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

该飞附吊挂机匣安装在风扇机匣下方，主体为扇段机匣形式，材料为钛合金，固定在风扇机匣安装边和机匣的加强筋上。工厂完成试车后，顺航向观察，发现该飞附吊挂机匣左侧、内部转角附近有裂纹，其他部位未见异常(见图1)。

图1 开裂飞附吊挂机匣的宏观形貌

图2 断口的宏观形貌

1.2 断口分析

断口的宏观形貌如图2所示，可见明显的疲劳断口特征，根据疲劳条带的方向可判断疲劳源区位于飞附吊挂机匣转角内侧，局部区域可见放射棱线。

用扫描电镜(SEM)对断口进行观察，可见疲劳弧线和放射棱线汇聚于飞附吊挂机匣转角内侧，距端面约2 mm处，该处为疲劳源，呈线源特征，疲劳源区未见明显的冶金缺陷，裂纹起源部位与零件表面划痕未重合(见图3)。

图3 断口的SEM形貌

图4 飞附吊挂机匣应力分布的测试结果

1.3 应力分析

飞附吊挂机匣所受的载荷是由侧向与垂向机动过载产生的惯性力，结合飞附吊挂机匣及安装在其上的附件质量，对整个飞附吊挂机匣的应力分布进行测试，结果如图4所示，可知飞附吊挂机匣的最大应力位于吊耳与安装板连接的螺栓孔处、非裂纹部位，且最大的应力小于吊挂机匣的屈服强度。

选取周向的4个截面，用三坐标测量仪分别测量风扇机匣与吊挂机匣安装边的轴向尺寸，发现在靠近切断面区域，风扇机匣与吊挂机匣的安装边配合有局部过盈情况。

为了排查飞附吊挂机匣在发动机工作过程中的振动应力情况，对裂纹部位进行动应力测试，结果发现裂纹部位的动应力水平较低(见表1)。

表1 裂纹部位的动应力测试结果 MPa

2 有限元模拟分析

安装飞附吊挂机匣时，在吊耳处产生了附加载荷，从而在飞附吊挂机匣上产生应力。针对这一情况，建立了飞附吊挂机匣的有限元模型(见图5)，约束飞附吊挂机匣与风扇机匣连接螺栓孔位移，在吊耳处施加载荷。为分析不同方向载荷的影响，施加各方向载荷，并测量不同方向载荷下裂纹部位的应力，可知在吊耳处施加载荷，裂纹部位基本无应力。装配过程中，飞附吊挂机匣与风扇机匣安装边配合尺寸发生局部干涉，配合部位不协调，导致装配螺栓时，飞附吊挂机匣上产生了应力。

图5 飞附吊挂机匣的有限元模型示意

在飞附吊挂机匣裂纹侧取样进行有限元模拟分析，约束长边螺栓孔以及短边靠近中部螺栓孔位移，在短边最外侧螺栓孔处施加0.1 mm的强制位移，位移方向为发动机轴向，飞附吊挂机匣的有限元分析结果如图6所示。由图6可知：裂纹附近的应力为59.8 MPa，且应力与强制位移呈线性关系，即在装配过程中，产生的强制位移越大，应力越大。

图6 飞附吊挂机匣的有限元分析结果

3 综合分析

根据断口分析结果，飞附吊挂机匣的断裂性质为疲劳断裂，疲劳起源于转角内侧表面，且与表面划痕未重合，疲劳源区未见明显冶金缺陷。该飞附吊挂机匣的材料选择、结构强度储备和生产过程均无异常。零件在整环状态下进行尺寸加工和测量，切割后切断面附近会发生变形。安装前未对配合尺寸进行测量、选配，使得吊挂机匣装入风扇机匣的过程中发生局部干涉，相对位置不易调整，定位销孔不易对准，装配销钉时需用较大外力将销钉砸入，导致吊挂机匣的安装边发生较大的强制位移。

吊挂机匣为扇段结构，零件尺寸均是在整环状态下加工到位并进行测量与检验的。环形零件切割、切断后，零件整体应力平衡状态被打破，随着零件应力释放，切断面附近会发生变形。装配前未对吊挂机匣的尺寸进行复测及选配，导致与风扇机匣装配过程中干涉。

4 结论及建议

飞附吊挂机匣产生疲劳裂纹的原因为：在飞附吊挂机匣与风扇机匣装配时，用外力将定位销敲入销钉孔，导致吊挂机匣的安装边产生了局部变形，在裂纹部位形成较大的初始应力，在振动环境下，飞附吊挂机匣产生裂纹并扩展。

建议装配前根据零件测量尺寸，计算装配尺寸，装配尺寸控制在间隙范围内，以保证吊挂机匣装配能自由地推进，若无法满足要求，需对吊挂机匣进行校正复检；装配定位销前，先使用工艺螺钉预先固定吊挂机匣，防止装配销钉时产生位移；将销钉冷冻后进行装配，并保证能手动将销钉按进孔位且装配到位。