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二维三轴编织带缠绕碳纤维复合材料机匣包容性研究

刘璐璐  
【摘要】:碳纤维复合材料由于具有高比强度、高比模量和耐腐蚀等优点而被广泛应用于航空航天领域。GE公司在新一代大涵道比商用航空发动机GEnx中使用了一种二维三轴碳纤维编织带缠绕复合材料机匣,并于2007年7月通过整机包容性适航试验,取得单机减重160kg的效果。航空发动机的叶片包容过程为典型的非规则高速撞击过程,而复合材料的高速冲击特性和动态响应比金属材料更加复杂,因此,系统深入的研究复合材料机匣的包容特性,对我国研制高性能大涵道比航空发动机具有十分重要的意义。本文结合试验、理论分析和数值仿真主要完成以下研究工作: (1)进行数值仿真计算方法的研究。基于ANSYS/LS-DYNA软件,建立二维三轴编织复合材料单层靶板和多层靶板在弹体高速冲击下的数值仿真计算模型,包括纱线模型、单胞模型和连续介质模型。比较不同计算模型的仿真预测效果以及计算效率。结果表明,纱线模型可以有效的表现纱线的断裂失效、滑移、拔出等行为,但建模难度大,计算时间长;单胞模型和连续介质模型预测的失效模式主要表现为沿纵向和横向的裂纹,其中单胞模型可以表现编织纱线的铺设方向,比连续介质模型的描述更加接近实际,但靶板的抗弹性能预测和计算效率上相差不大,但连续介质模型建模更加方便,适合工程应用,因此在机匣包容性数值仿真中可使用连续介质模型。 (2)进行二维三轴编织复合材料层合靶板的弹道冲击特性研究。使用钛合金平头圆柱弹体和矩形叶片弹体进行对比试验,评估弹体形状差异对试验结果的影响。使用二维三轴编织布层合板与缎纹机织布层合板进行对比试验,研究碳纤维增强结构对复合材料靶板抗弹能力的影响。根据试验得到的复合材料靶板失效模式和失效区域形状,修改Lopez-Puente理论模型,建立弹体冲击靶板过程中能量对弹体位移的微分方程,有效的预测两种复合材料靶板的弹道极限。采用连续介质模型和连续损伤力学(Continum damage mechanism, CDM)材料模型,仿真分析二维三轴编织复合材料靶板受弹体高速冲击的过程及损伤机理。 (3)进行二维三轴编织带缠绕增强复合材料机匣的叶片包容性研究。在高速旋转试验台上使用TC4钛合叶片完成3次复合材料机匣包容性试验,获得了包容、接近临界包容和非包容三种典型的试验结果。结合试验和数值仿真,详细研究了高速旋转飞失叶片与机匣的撞击过程。采用数值仿真方法对影响机匣包容性的三个关键因素—机匣壁厚、叶片动能和冲击角度的影响进行了参数化分析,给出复合材料机匣壁厚的经验设计公式。 (4)进行二维三轴碳纤维编织复合材料机匣在大型航空发动机中的应用研究。针对某型航空发动机一级风扇,使用碳纤维增强复合材料叶片和二维三轴碳纤维编织带缠绕复合材料机匣代替原有的钛合金叶片和钛合金机匣,以期减轻重量并提高包容能力,使其满足适航要求。分别建立不同壁厚的风扇机匣的单叶片包容模型和三叶片包容模型,研究复合材料叶片与复合材料机匣的撞击过程,并对追随叶片的影响进行了分析。结果表明,使用复合材料机匣和叶片可有效的减轻风扇系统的重量,并且提高包容效率。


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