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复合材料及发动机机匣的屈曲与疲劳研究

齐红宇  
【摘要】: 先进复合材料在航空航天结构上获得了广泛应用,已成为航空航天的四大结构材料之一。目前我国正在研制碳纤维树脂基复合材料的发动机外涵道机匣。机匣的实际工作条件相当复杂,对复合材料机匣屈曲特性和疲劳寿命预测的研究是我国新一代高推重比发动机的一项先期性研究工作。本文从实际工程背景出发,利用板壳理论和现代数值分析技术的研究成果,结合疲劳累积损伤理论,对航空发动机用的复合材料及其机匣结构的屈曲与疲劳寿命问题开展了较为系统深入的研究。创新内容包括: 1、本文提出了考虑残余应变刚度下降的复合材料疲劳累积损伤模型。该模型能够描述材料动态的本构关系,克服了以往疲劳累积损伤模型利用材料单一属性——强度或刚度的变化描述损伤的缺点。构建模型时,提出了把刚度和应变比率分别与循环次数建立函数关系和用两种不同的函数分段描述损伤过程的处理方法。通过对T300/KH-304复合材料一种铺层形式的无缺口层合板拉——拉疲劳试验结果的分析研究,建立了该T300/KH-304复合材料的疲劳累积损伤模型。进行了应力为65%强度极限的常幅应力以及两种双级应力的疲劳试验验证。 2、在无孔层合板疲劳累积损伤模型的基础上,运用“点应力准则”概念,提出带孔缺口复合材料疲劳累积损伤模型,定义了应力修正因子。对T300/KH-304复合材料层合板的三种不同孔径试件进行了拉——拉疲劳试验,获得了特征点应力修正因子,并建立了该带孔板疲劳累积损伤模型。用该模型对孔径为5mm层合板的S—N曲线进行疲劳寿命预测及试验验证。 3、首次对某型发动机T300/KH-304复合材料机匣的主铺层在给定工况下的疲劳寿命进行预测。利用本文模型和名义应力法概念的寿命预测表明复合材料机匣的主铺层有较好的抗疲劳性能。 4、首次用有限元法和圆柱壳体耦合理论分析了T300/BMP-316复合材料机匣分别在轴向力、扭矩和内压等单独作用以及耦合作用下的屈曲特性,为进一步研究打下了基础;运用有限元法分析了T300/KH-304和T300/BMP-316两种复合材料层合板的屈曲特性,讨论了铺层方式、尺寸、位移边界条件等参数对屈曲特性的影响。


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