【摘 要】
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风扇叶片的飞出(Fan Blade Out,FBO)问题是涡轮发动机常见的安全威胁之一。发动机中断裂的风扇叶片击中机舱等飞机部位,可能会对飞行安全造成影响,如引发机舱失压、油箱燃油泄漏起火等问题,更严重的还可能导致机毁人亡,因此对机匣包容性能及影响因素的研究十分必要。作为一种具有高比模量、高比强度和低热膨胀系数的材料,并且碳纤维编织复合材料由于结构中接结经纱的存在,不易发生分层失效,是新一代航空发
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风扇叶片的飞出(Fan Blade Out,FBO)问题是涡轮发动机常见的安全威胁之一。发动机中断裂的风扇叶片击中机舱等飞机部位,可能会对飞行安全造成影响,如引发机舱失压、油箱燃油泄漏起火等问题,更严重的还可能导致机毁人亡,因此对机匣包容性能及影响因素的研究十分必要。作为一种具有高比模量、高比强度和低热膨胀系数的材料,并且碳纤维编织复合材料由于结构中接结经纱的存在,不易发生分层失效,是新一代航空发动机风扇机匣的主要材料。在数值仿真分析方法中,宏细观模型兼具宏观尺度仿真模型和细观尺度模型的优点,是未来编织复合材料数值仿真的主要方法之一。因此本文结合宏细观建模方法,针对碳纤维2.5D编织复合材料作为机匣材料的弹道冲击性能、损伤形貌和影响因素进行研究。本文针对碳纤维2.5D编织复合材料,开展了宏观尺度模型和细观尺度模型材料本构模型和失效准则以及宏细观模型间界面数据的传递方法、靶板弹道冲击仿真验证研究、碳纤维2.5D编织复合材料弹道冲击性能影响因素研究等工作,对碳纤维2.5D编织复合材料的力学特性、弹道冲击性能以及包容性特征进行了系统的研究。具体包括:(1)开展了碳纤维2.5D编织复合材料的宏细观建模方法,建立了碳纤维2.5D编织复合材料的宏细观有限元仿真模型。研究宏观模型和细观模型中适用于碳纤维2.5D编织复合材料的本构模型和失效准则,建立该材料的宏观尺度连续介质模型和细观尺度模型,并研究选择合适的界面连接方法,在两种模型间建立连接,实现了宏观模型和细观模型间界面数据的传递。(2)开展了适用于弹道冲击的碳纤维2.5D编织复合材料宏细观模型验证研究。结合子模型技术建立的宏细观模型,对碳纤维2.5D编织复合材料进行弹道冲击仿真,通过与真实试验的弹体剩余速度,靶板吸能总量及损伤形貌等评价标准对比,表明宏细观模型除了可以较为准确预测复合材料平板的吸能性,还可以模拟平板在冲击过程中的基体开裂,纱线抽拔、断裂等形貌。(3)开展了碳纤维2.5D编织复合材料包容性能的影响因素研究。结合碳纤维2.5D编织复合材料宏细观模型通过对不同形状、不同尺寸弹体进行弹道冲击数值仿真。研究弹道冲击性能影响因素,并分析不同形状的弹体以不同角度冲击碳纤维2.5D编织复合材料机匣对机匣包容的影响。结合碳纤维2.5D编织复合材料宏观模型进行叶片旋转飞出仿真,分析叶片飞断转速和机匣厚度对机匣包容性的影响,发现随叶片飞断转速的增大,机匣吸能量增加,且机匣厚度增加对于不同速度飞出的叶片吸能量的增加率不同。全文通过基于子模型法的宏细观建模方法,对发动机轻质“硬壁”机匣结构材料碳纤维2.5D编织复合材料的弹道冲击性能及影响因素进行研究,初步形成了一套适用于碳纤维2.5D编织复合材料包容性研究设计的数值仿真方法。
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