航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣包容數(shù)值模擬技術(shù)與試驗(yàn)驗(yàn)證.pdf

1、航空發(fā)動機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時,由于外物損傷、疲勞、沖蝕/腐蝕等原因可能引起風(fēng)扇葉片丟失(FBO)事故。丟失葉片在慣性的作用下被甩出,若風(fēng)扇機(jī)匣不能包容失效葉片引起的破壞,就會嚴(yán)重地威脅到飛行安全。國外通常采用“硬壁”和“軟壁”兩種設(shè)計(jì)思想來實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇機(jī)匣包容性設(shè)計(jì)。為了深入地掌握“硬壁”和“軟壁”風(fēng)扇機(jī)匣的包容機(jī)理和失效模式,有效地指導(dǎo)風(fēng)扇機(jī)匣的包容性設(shè)計(jì),本文開展了典型“硬壁”材料(2A70合金)和“軟壁”包容環(huán)材料(Kevlar49干織物)在

2、高速沖擊載荷作用下的動態(tài)力學(xué)特性、本構(gòu)模型、數(shù)值模擬方法等理論與試驗(yàn)研究,具體研究內(nèi)容包括:
　　(1)針對常見“硬壁”鋁合金機(jī)匣材料2A70合金,進(jìn)行了應(yīng)變率范圍在0.1s-1~4000s-1條件下的光滑試樣動態(tài)拉伸試驗(yàn),探討了 Cowper-Symonds等不同應(yīng)變率修正形式下的Johnson-Cook(J-C)本構(gòu)模型;進(jìn)行了低應(yīng)變率缺口拉伸試驗(yàn)和不同應(yīng)變率下光滑試樣拉伸試驗(yàn),確定了2A70合金的J-C斷裂模型參數(shù)。試驗(yàn)和擬

3、合結(jié)果表明:2A70合金具有一定的應(yīng)變率敏感性,尤其在應(yīng)變率高于1000s-1的情況下更為明顯,其中Cowper-Symonds修正的J-C本構(gòu)模型能夠更好地描述2A70合金的應(yīng)變率效應(yīng)。
　　(2)開展了2A70合金平板的彈道沖擊試驗(yàn),獲得了受沖擊后2A70合金平板的失效模式及抗沖擊能力。探討了接觸剛度、阻尼系數(shù)和人工體積粘性等參數(shù)等對數(shù)值模擬結(jié)果的影響,在此基礎(chǔ)上開展了2A70合金平板彈道沖擊試驗(yàn)的數(shù)值模擬對比,研究了彈體穿透

4、過程中平板的能量耗散機(jī)理。數(shù)值模擬結(jié)果表明:平板變形和破裂的過程可以分為壓縮階段、能量轉(zhuǎn)化和相互摩擦三個階段,其中前兩個階段消耗了絕大部分撞擊能量。
　　(3)從織物的宏觀力學(xué)特性出發(fā),將典型的“軟壁”材料Kevlar49織物等效為宏觀連續(xù)體,以MLT模型和線性粘彈性Maxwell模型為基礎(chǔ),推導(dǎo)了適合描述Kevlar49織物的率相關(guān)復(fù)合材料模型,并結(jié)合已知的Kevlar49干織物力學(xué)特性數(shù)據(jù)擬合了模型參數(shù),采用單個殼單元拉伸和鋼

5、球撞擊單層織物算例,校驗(yàn)了應(yīng)變率相關(guān)的復(fù)合材料模型對Kevlar49織物動態(tài)力學(xué)行為描述的有效性。
　　(4)設(shè)計(jì)了干織物的恒張力纏繞裝置,開展了多層Kevlar49織物的彈道沖擊試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明正交編織的特點(diǎn)決定了受撞擊過程中織物的橫向變形順著主紗的正交方向傳播,因此出現(xiàn)“金字塔”變形;平紋織物損傷包含了局部“trap door”形失效和整體的卷曲變形。采用單層和多層有限元模型,進(jìn)行了彈道沖擊數(shù)值模擬分析,討論了入射速度、撞擊

6、角度、織物的層數(shù)和邊界對織物抗沖擊能力的影響。模擬結(jié)果證明織物的單層和多層模型均能描述織物受沖擊后的變形響應(yīng),估計(jì)織物吸收的能量,此外發(fā)現(xiàn)彈體的入射速度和撞擊角度、織物的層數(shù)和邊界均對多層織物吸收能量的能力有一定的影響。
　　(5)在上述數(shù)值模擬方法研究與彈道沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,開展了典型鋁合金“硬壁”機(jī)匣和鋁合金纏繞Kevlar49織物組成的“軟壁”機(jī)匣的包容性數(shù)值模擬,研究了丟失風(fēng)扇葉片的軌跡、丟失葉片與相鄰葉片以及機(jī)匣之間