二維三軸編織帶纏繞碳纖維復(fù)合材料機(jī)匣包容性研究.pdf

1、碳纖維復(fù)合材料由于具有高比強(qiáng)度、高比模量和耐腐蝕等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。GE公司在新一代大涵道比商用航空發(fā)動機(jī)GEnx中使用了一種二維三軸碳纖維編織帶纏繞復(fù)合材料機(jī)匣，并于2007年7月通過整機(jī)包容性適航試驗，取得單機(jī)減重160kg的效果。航空發(fā)動機(jī)的葉片包容過程為典型的非規(guī)則高速撞擊過程，而復(fù)合材料的高速沖擊特性和動態(tài)響應(yīng)比金屬材料更加復(fù)雜，因此，系統(tǒng)深入的研究復(fù)合材料機(jī)匣的包容特性，對我國研制高性能大涵道比航空發(fā)動機(jī)具有十

2、分重要的意義。本文結(jié)合試驗、理論分析和數(shù)值仿真主要完成以下研究工作:
　　(1)進(jìn)行數(shù)值仿真計算方法的研究?；贏NSYS/LS-DYNA軟件，建立二維三軸編織復(fù)合材料單層靶板和多層靶板在彈體高速沖擊下的數(shù)值仿真計算模型，包括紗線模型、單胞模型和連續(xù)介質(zhì)模型。比較不同計算模型的仿真預(yù)測效果以及計算效率。結(jié)果表明，紗線模型可以有效的表現(xiàn)紗線的斷裂失效、滑移、拔出等行為，但建模難度大，計算時間長;單胞模型和連續(xù)介質(zhì)模型預(yù)測的失效模式主

3、要表現(xiàn)為沿縱向和橫向的裂紋，其中單胞模型可以表現(xiàn)編織紗線的鋪設(shè)方向，比連續(xù)介質(zhì)模型的描述更加接近實際，但靶板的抗彈性能預(yù)測和計算效率上相差不大，但連續(xù)介質(zhì)模型建模更加方便，適合工程應(yīng)用，因此在機(jī)匣包容性數(shù)值仿真中可使用連續(xù)介質(zhì)模型。
　　(2)進(jìn)行二維三軸編織復(fù)合材料層合靶板的彈道沖擊特性研究。使用鈦合金平頭圓柱彈體和矩形葉片彈體進(jìn)行對比試驗，評估彈體形狀差異對試驗結(jié)果的影響。使用二維三軸編織布層合板與緞紋機(jī)織布層合板進(jìn)行對比試驗

4、，研究碳纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料靶板抗彈能力的影響。根據(jù)試驗得到的復(fù)合材料靶板失效模式和失效區(qū)域形狀，修改Lopez-Puente理論模型，建立彈體沖擊靶板過程中能量對彈體位移的微分方程，有效的預(yù)測兩種復(fù)合材料靶板的彈道極限。采用連續(xù)介質(zhì)模型和連續(xù)損傷力學(xué)(Continum damagemechanism，CDM)材料模型，仿真分析二維三軸編織復(fù)合材料靶板受彈體高速沖擊的過程及損傷機(jī)理。
　　(3)進(jìn)行二維三軸編織帶纏繞增強(qiáng)復(fù)合材料

5、機(jī)匣的葉片包容性研究。在高速旋轉(zhuǎn)試驗臺上使用TC4鈦合葉片完成3次復(fù)合材料機(jī)匣包容性試驗，獲得了包容、接近臨界包容和非包容三種典型的試驗結(jié)果。結(jié)合試驗和數(shù)值仿真，詳細(xì)研究了高速旋轉(zhuǎn)飛失葉片與機(jī)匣的撞擊過程。采用數(shù)值仿真方法對影響機(jī)匣包容性的三個關(guān)鍵因素—機(jī)匣壁厚、葉片動能和沖擊角度的影響進(jìn)行了參數(shù)化分析，給出復(fù)合材料機(jī)匣壁厚的經(jīng)驗設(shè)計公式。
　　(4)進(jìn)行二維三軸碳纖維編織復(fù)合材料機(jī)匣在大型航空發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用研究。針對某型航空發(fā)動