航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣包容數(shù)值模擬技術(shù)與試驗驗證.pdf

1、航空發(fā)動機高速運轉(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)扇機匣不能包容失效葉片引起的破壞,就會嚴重地威脅到飛行安全。國外通常采用“硬壁”和“軟壁”兩種設(shè)計思想來實現(xiàn)風(fēng)扇機匣包容性設(shè)計。為了深入地掌握“硬壁”和“軟壁”風(fēng)扇機匣的包容機理和失效模式,有效地指導(dǎo)風(fēng)扇機匣的包容性設(shè)計,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研究,具體研究內(nèi)容包括:
　　(1)針對常見“硬壁”鋁合金機匣材料2A70合金,進行了應(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,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;進行了低應(yīng)變率缺口拉伸試驗和不同應(yīng)變率下光滑試樣拉伸試驗,確定了2A70合金的J-C斷裂模型參數(shù)。試驗和擬

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,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,試驗結(jié)果表明正交編織的特點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驗證的基礎(chǔ)上,開展了典型鋁合金“硬壁”機匣和鋁合金纏繞Kevlar49織物組成的“軟壁”機匣的包容性數(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匣之間