航材院丨航空发动机“积木式”评价方法

众所周知，心脏是我们人体最为重要的器官，同样的，飞机也有“心脏”，就是航空发动机。航空发动机的服役环境十分苛刻和复杂，实际研制工作技术难度大，耗资多，周期长，是世界公认的复杂的多学科综合性系统工程。机匣是航空发动机上最关键、最重要的部件之一，在工作状态下，机匣承受发动机的气体负荷和质量惯性力，这些负荷以轴向力、横向力或侧向力、弯矩、扭矩等形式同时作用在机匣上；机匣还承受由温度、温差引起的热负荷、以及热负荷对材料强度带来的变化所引起的应力；在飞机的每次起飞降落过程中，机匣承受由发动机的启动、工作状态、停车和飞机机动飞行引起的循环压力、扭转载荷以及震动载荷等，且机匣制件结构复杂，机匣材料研制周期长，难度大。

当前，新一代航空发动机对于机匣材料的性能要求更高，更复杂。为满足航空发动机机匣使用需求，我们不断研究开发新材料，不仅要研究新材料的性能与成分、组织的关系，还需要通过各种测试技术对材料的使用性能进行评价。实际上，对材料组织从宏观到微观不同层次的表征技术构成了材料科学与工程的一个重要组成部分，材料应用评价技术就像一座桥梁，连接了材料设计与制造工艺，直到获得具有满意使用性能的新材料。如图2所示，可以清楚地看到材料应用评价技术在新材料的研究、开发和发展中所起到的作用。作为材料应用评价的核心技术，我们设计了具有不同结构评价考核特征的元件和模拟件，通过对这些元件、模拟件进行疲劳性能测试分析，获得材料在不用结构件以及服役条件下的应用性能，从而在材料与结构设计之间搭建桥梁，大幅度提升材料从性能考核、工艺考核、功能考核、模拟环境考核甚至是真实环境考核验证的应用成熟度。这就像裁缝给我们量身定做衣服一样，首先需要根据我们设计的衣服款式和使用需求合理选材，比如是做运动衣，还是工作服，西装等，选出材料后还要评估材料对于这个衣服款式的适用性，然后综合考虑布料的材质和衣服的款式做出让我们最满意的衣服。机匣材料评价也是一样，通过机匣材料应用评价，增加材料的使用说明书，从而使得选定材料适用于机匣结构的每一个细节设计，既达到机匣使用需求又经济实惠。

小时候，我们很喜欢搭积木，一层一层搭起各种形状。你们知道吗，“搭积木”的思想方法还可以用于机匣材料的应用评价。最早在国军标《军用飞机强度和刚度规范-复合材料结构》中，明确提出过“积木式”实验的概念，主要是针对飞机设计中的复合材料结构强度验证，通过采用全尺寸结构与由试样、元件（包括典型结构）、组合件组成的多层次“积木式”设计验证实验相结合的方法来完成。实际上，不论是复合结构材料还是金属结构材料，为有效提高材料的应用成熟度，都需要在材料研制中遵循“积木式”设计验证思想开展精细化研究，如图3所示。

这种“搭积木”的机匣材料应用评价方法主要有四层，从下至上分别为试样实验、元件实验、结构件实验以及部件实验。其中，第一层的试样实验是为了材料筛选和确定结构设计所需材料性能数据，实验内容主要包括材料力学性能、热物性参数、力学耐环境（高温）等性能实验，为保证实验结果能给出统计意义上的有效数据，实验数量通常很大，有时可能达数千个；第二层是元件实验，实验件通常是指能代表结构的通用元件，是复杂整体结构的一些组成单元。元件实验的目的在于验证各种元件的承载能力、断裂损伤、服役环境、分析方法等，结构的设计值在依据材料许用值的基础上主要在该级实验中产生。元件实验的数量应保证实验结果满足结构设计选型要求，数量一般也较大，可达上百件；第三层是结构件实验，结构件通常能代表完整结构的典型部分，用以验证结构的承载能力、环境影响、损伤容限、耐久性和分析方法等。该级实验的数量明显减少，通常为几个或十几个不等；最后一级是部件实验，也就是机匣作为一个完整的单元进行分析和实验，部件实验通常可考核部件及结构的承载能力、载荷分析、断裂损伤及破坏模式、服役环境和变形情况等，包括静强度、疲劳强度、损伤容限、耐久性以及结构方案和分析方法等。该级实验的实验件数量最少，通常为个位数。

机匣材料的应用评价，经过这样搭积木，从一般实验件的试样级别开始，通过对每个层次进行小规模实验，提高可靠性，后一个层次的实验和分析工作都建立在前一个层次工作的基础之上，通过每个层级的基础研究工作建立可靠的数据基础及理论方法体系，最终为全尺寸整体结构件提供实验数据和计算分析方法，从而实现全尺寸机匣件在特定服役状态下的材料应用性能评价及寿命预测。

根据“搭积木”式的评价思想，仅仅采用传统的标准试样级实验已不能充分反映材料的本质属性，这将给机匣结构件设计带来很大困难和风险。当前，国内对新型航空发动机机匣材料的研究主要集中在材料制备、典型件研制和标准试样力学性能测试等方面，针对元件模似件服役行为的研究几乎空白。而材料元件、模拟件设计与测试技术是“积木式”设计验证思想中至关重要的基础一环，只有通过材料元件、模拟件级的设计与测试，才可以开展考虑材料及结构的复杂载荷条件下的服役性能及组织演化研究，并将材料特性、加工工艺与实际服役环境建立多层级关联。为充分评价材料在实际服役环境下的应用性能，在元件、模拟件设计中采取应力相似、几何相似、材料状态与本征性能相似、加工工艺及表面状态相似等基本原则，研究材料的细节结构特征、制备工艺、应力状态、缺陷、服役环境等复杂因素对材料服役性能的影响规律，从而增加数据阶梯，为实际航空发动机机匣件选材及结构设计优化提供更为可靠的材料数据。