本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)，具體是涉及一種基于ct掃描圖像的增材修復(fù)葉片疲勞失效分析方法。

背景技術(shù)：

1、在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，風(fēng)扇與低壓壓氣機(jī)葉片通常采用整體葉盤(pán)設(shè)計(jì)，以提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和效率。然而，這些葉片在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)承受由高轉(zhuǎn)速引起的離心力和氣流激振產(chǎn)生的振動(dòng)應(yīng)力的雙重作用。一旦葉片遭受外物損傷，其疲勞強(qiáng)度將顯著下降，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性和可靠性。傳統(tǒng)上，對(duì)于受損葉片的修復(fù)主要依賴(lài)于打磨、焊接等技術(shù)手段，這些方法可以在一定程度上降低局部應(yīng)力集中或修復(fù)葉片的幾何尺寸，從而恢復(fù)葉片的疲勞性能。然而，這些技術(shù)對(duì)于葉片掉角、大缺口等復(fù)雜損傷情況的處理效果有限，無(wú)法完全恢復(fù)葉片的性能。

2、近年來(lái)，隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。增材制造技術(shù)能夠?qū)θ~片進(jìn)行精確的修復(fù)，不僅能夠恢復(fù)葉片的幾何形狀，還能在一定程度上改善其疲勞性能。然而，增材修復(fù)過(guò)程中可能產(chǎn)生的孔隙、未熔合缺陷和殘余拉應(yīng)力等特征，對(duì)修復(fù)構(gòu)件的疲勞性能有著不可忽視的影響。這些微觀(guān)缺陷特征，包括缺陷體積、球形度、長(zhǎng)徑比、孔隙率、缺陷位置和類(lèi)型等，對(duì)增材制造構(gòu)件的疲勞性能及裂紋擴(kuò)展行為具有重要影響。ct技術(shù)因其非接觸、非破壞的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于材料內(nèi)部缺陷的檢測(cè)。ct技術(shù)能夠提供高分辨率的三維圖像，揭示材料內(nèi)部的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和缺陷信息。將ct技術(shù)應(yīng)用于增材修復(fù)葉片的缺陷檢測(cè)，可以準(zhǔn)確地識(shí)別和表征修復(fù)過(guò)程中引入的各種缺陷，為后續(xù)的疲勞性能分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3、盡管已有研究者基于缺陷-疲勞壽命的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了多種修正模型來(lái)提高含缺陷金屬材料疲勞壽命預(yù)測(cè)的精度，但增材修復(fù)葉片的高周疲勞損傷機(jī)理仍然不夠明確，缺乏有效的預(yù)測(cè)模型來(lái)準(zhǔn)確評(píng)估修復(fù)葉片的疲勞性能。因此，基于ct掃描圖像，建立一種能夠綜合考慮增材修復(fù)特征和缺陷影響的疲勞失效分析方法，對(duì)于提高修復(fù)葉片的性能評(píng)估和安全使用具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：針對(duì)以上缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種無(wú)損的基于ct掃描圖像的增材修復(fù)葉片疲勞失效分析方法。

2、技術(shù)方案：為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明采用一種基于ct掃描圖像的增材修復(fù)葉片疲勞失效分析方法，包括以下步驟：

3、步驟1：采用ct掃描技術(shù)與光學(xué)顯微鏡相結(jié)合的方式對(duì)增材修復(fù)鈦合金模擬葉片進(jìn)行缺陷測(cè)試分析。在倒置光學(xué)顯微鏡上對(duì)葉片的增材修復(fù)區(qū)域開(kāi)展缺陷表征測(cè)試；

4、步驟2：鈦合金模擬葉片增材缺陷截面與全局測(cè)試分析，獲取試件在三個(gè)方向上的投影截面以及三維視圖的缺陷分布情況；

5、步驟3：統(tǒng)計(jì)增材修復(fù)鈦合金前緣模擬葉片缺陷參數(shù)分布，包括等效球直徑分布，球形度分布，水平截面投影面積分布以及體積分布；

6、步驟4：通過(guò)ct無(wú)損檢測(cè)觀(guān)察增材修復(fù)鈦合金模擬葉片疲勞裂紋擴(kuò)展情況，采用sem對(duì)增材修復(fù)tc17鈦合金拉伸疲勞試件的高周疲勞斷口進(jìn)行觀(guān)察與分析，探究其缺陷相關(guān)的疲勞源及疲勞裂紋擴(kuò)展行為；

7、步驟5：建立增材修復(fù)鈦合金模擬葉片缺陷特征與疲勞性能之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律，通過(guò)缺陷依賴(lài)的高周疲勞壽命模型模擬增材修復(fù)葉片疲勞裂紋擴(kuò)展行為，形成一種基于ct掃描圖像的增材修復(fù)葉片疲勞失效分析方法。

8、進(jìn)一步的，對(duì)增材修復(fù)模擬構(gòu)件進(jìn)行打磨拋光、切片取樣與ct掃描，得到修復(fù)區(qū)的缺陷特征，所述修復(fù)區(qū)的缺陷特征包括缺陷尺寸、缺陷位置、缺陷形貌。

9、進(jìn)一步的，將統(tǒng)計(jì)的增材修復(fù)模擬構(gòu)件的修復(fù)區(qū)的缺陷尺寸概率分布、缺陷位置概率分布和缺陷形貌概率分布，融入經(jīng)典疲勞理論建立考慮增材修復(fù)缺陷的缺陷-疲勞壽命模型：

10、

11、其中，表示缺陷的疲勞損傷參量，是最大應(yīng)力σmax與缺陷特征值的乘積；nf表示疲勞循環(huán)壽命；α′與β′是缺陷的疲勞壽命模型的擬合參數(shù)，y表示缺陷類(lèi)型，表示缺陷等效圓面積，μ表示材料疲勞壽命對(duì)缺陷尺寸的敏感性，α表示材料疲勞壽命對(duì)缺陷球形度的敏感性，β表示材料疲勞壽命對(duì)缺陷位置的敏感性，dl表示缺陷位置，cd表示圓度。

12、進(jìn)一步的，所述缺陷尺寸的表征為：將缺陷等效為橢球，將橢球的投影面積的平方根表示為缺陷尺寸；缺陷位置dl通過(guò)歸一化后的距模擬構(gòu)件表面的距離進(jìn)行表示；缺陷形貌通過(guò)球形度cd進(jìn)行表示；

13、

14、

15、其中，df為模擬構(gòu)件的厚度，df為缺陷到模擬構(gòu)件表面的距離；v為缺陷體積，s為缺陷表面積。

16、進(jìn)一步的，所述增材修復(fù)模擬構(gòu)件的修復(fù)區(qū)的缺陷尺寸概率分布、缺陷位置概率分布和缺陷形貌概率分布通過(guò)對(duì)增材修復(fù)模擬構(gòu)件缺陷參數(shù)的分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到，所述增材修復(fù)模擬構(gòu)件缺陷參數(shù)包括缺陷直徑、缺陷球形度、缺陷體積以及缺陷在x-y平面上的投影面積。

17、本發(fā)明還采用一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)實(shí)現(xiàn)上述方法的步驟。

18、本發(fā)明還一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)上述的方法的步驟。

19、有益效果：本發(fā)明提供了一種基于ct掃描圖像的增材修復(fù)葉片疲勞失效分析方法，具有顯著的有益效果。通過(guò)結(jié)合計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)和光學(xué)顯微鏡，該方法能夠高精度地檢測(cè)和表征增材修復(fù)鈦合金葉片的內(nèi)部缺陷，確保檢測(cè)的全面性和準(zhǔn)確性。詳細(xì)統(tǒng)計(jì)的缺陷參數(shù)為疲勞性能分析提供了重要基礎(chǔ)，使得能夠有效評(píng)估增材修復(fù)過(guò)程中引入的缺陷對(duì)葉片性能的影響。結(jié)合高周疲勞測(cè)試和ct無(wú)損檢測(cè)，本發(fā)明能夠精確評(píng)估修復(fù)葉片的疲勞性能，揭示裂紋擴(kuò)展情況和缺陷相關(guān)的疲勞源及行為，建立了缺陷特征與疲勞性能之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律。這為預(yù)測(cè)修復(fù)葉片的使用壽命提供了科學(xué)依據(jù)，提升了修復(fù)效果和資源利用率，使修復(fù)后的葉片滿(mǎn)足安全使用要求，特別對(duì)于受外物打擊損傷的葉片，通過(guò)增材修復(fù)后能恢復(fù)其疲勞強(qiáng)度，避免直接報(bào)廢處理，節(jié)省材料資源?？傮w而言，本發(fā)明提供了一種高效、精準(zhǔn)的分析方法，為葉片修復(fù)和再利用提供了可靠的技術(shù)支持。

技術(shù)特征：

1.一種基于ct掃描圖像的增材修復(fù)葉片疲勞失效分析方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ct掃描圖像的增材修復(fù)葉片疲勞失效分析方法，其特征在于，在phoenix?v|tome|x?m型ct數(shù)碼斷層攝影系統(tǒng)上對(duì)增材修復(fù)tc17鈦合金前緣模擬葉片使用高分辨率ct開(kāi)展全局缺陷表征測(cè)試；高分辨率ct測(cè)試參數(shù)如下：光子能量為60kev，電壓125kv，電流105μa，曝光時(shí)間500ms，ct體素尺寸6.47μm，焦點(diǎn)尺寸13.125μm，濾波片選用0.4mm銅片，成像范圍20mm，成像間隔5.8μm。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于ct掃描圖像的增材修復(fù)葉片疲勞失效分析方法，其特征在于，統(tǒng)計(jì)增材修復(fù)模擬葉片中修復(fù)區(qū)的缺陷尺寸概率分布、缺陷位置概率分布和缺陷形貌概率分布；增材缺陷并非完美的球形，大部分孔隙類(lèi)缺陷為類(lèi)球形或類(lèi)橢球形，而致命的未熔融缺陷則形態(tài)各異，缺陷形狀的度量可以用球形度這一參數(shù)來(lái)表達(dá)，缺陷的球形度計(jì)算公式如下：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于ct掃描圖像的增材修復(fù)葉片疲勞失效分析方法，其特征在于，通過(guò)ct無(wú)損檢測(cè)觀(guān)察增材修復(fù)鈦合金模擬葉片疲勞裂紋擴(kuò)展情況，研究其缺陷相關(guān)的疲勞源及疲勞裂紋擴(kuò)展行為；首先通過(guò)斷口分析，找到疲勞源，采用sem對(duì)增材修復(fù)tc17鈦合金拉伸疲勞試件的高周疲勞斷口進(jìn)行觀(guān)察與分析，確認(rèn)試件的起裂模式，探索增材修復(fù)后的疲勞萌生與擴(kuò)展機(jī)理；使用圖像分析軟件image?pro?plus對(duì)疲勞斷口sem圖像上的韌窩尺寸進(jìn)行定量地分析；測(cè)試前，使用線(xiàn)切割將試件斷裂部位切下，試件從斷面自然分裂為兩塊，任取其中一塊在超聲波清洗儀中使用無(wú)水乙醇對(duì)試件進(jìn)行清洗，烘干后使用sem進(jìn)行疲勞斷口觀(guān)察；然后采用ct掃描檢測(cè)缺陷，增材修復(fù)模擬構(gòu)件的修復(fù)區(qū)的缺陷尺寸概率分布、缺陷位置概率分布和缺陷形貌概率分布通過(guò)對(duì)增材修復(fù)模擬構(gòu)件缺陷參數(shù)的分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到，所述增材修復(fù)模擬構(gòu)件缺陷參數(shù)包括缺陷直徑、缺陷球形度、缺陷體積以及缺陷在x-y平面上的投影面積。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于ct掃描圖像的增材修復(fù)葉片疲勞失效分析方法，其特征在于，建立缺陷依賴(lài)的高周疲勞壽命模型：

6.一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1至權(quán)利要求5所述方法的步驟。

7.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1至權(quán)利要求5所述的方法的步驟。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于CT掃描圖像的增材修復(fù)葉片疲勞失效分析方法。采用CT技術(shù)與光學(xué)顯微鏡相結(jié)合的方式對(duì)增材修復(fù)鈦合金葉片進(jìn)行缺陷測(cè)試分析與裂紋成像，建立鈦合金葉片增材修復(fù)區(qū)缺陷特征與疲勞性能之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律。首先利用高分辨率CT技術(shù)對(duì)葉片進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，對(duì)增材修復(fù)的鈦合金葉片前緣進(jìn)行全局缺陷重構(gòu)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析獲取缺陷參數(shù)的分布特征；分析缺陷相關(guān)的疲勞源和裂紋擴(kuò)展行為，結(jié)合缺陷依賴(lài)的增材修復(fù)葉片高周疲勞壽命(極限)模型，建立起一種基于CT掃描圖像的疲勞失效分析方法。通過(guò)該方法，能夠精確識(shí)別關(guān)鍵缺陷并預(yù)測(cè)其對(duì)葉片使用壽命的影響，從而為航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的修復(fù)和再利用提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

技術(shù)研發(fā)人員：易敏,湯衛(wèi),孫燊,趙振華
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9