航空发动机高速运转时,由于外物损伤、疲劳、冲蚀/腐蚀等原因可能引起风扇叶片丢失(FBO)事故。丢失叶片在惯性的作用下被甩出,若风扇机匣不能包容失效叶片引起的破坏,就会严重地威胁到飞行安全。国外通常采用“硬壁”和“软壁”两种设计思想来实现风扇机匣包容性设计。为了深入地掌握“硬壁”和“软壁”风扇机匣的包容机理和失效模式,有效地指导风扇机匣的包容性设计,本文开展了典型“硬壁”材料(2A70合金)和“软壁”包容环材料(Kevlar49干织物)在高速冲击载荷作用下的动态力学特性、本构模型、数值模拟方法等理论与试验研究,具体研究内容包括:　　(1)针对常见“硬壁”铝合金机匣材料2A70合金,进行了应变率范围在0.1s-1~4000s-1条件下的光滑试样动态拉伸试验,探讨了 Cowper-Symonds等不同应变率修正形式下的Johnson-Cook(J-C)本构模型;进行了低应变率缺口拉伸试验和不同应变率下光滑试样拉伸试验,确定了2A70合金的J-C断裂模型参数。试验和拟合结果表明:2A70合金具有一定的应变率敏感性,尤其在应变率高于1000s-1的情况下更为明显,其中Cowper-Symonds修正的J-C本构模型能够更好地描述2A70合金的应变率效应。　　(2)开展了2A70合金平板的弹道冲击试验,获得了受冲击后2A70合金平板的失效模式及抗冲击能力。探讨了接触刚度、阻尼系数和人工体积粘性等参数等对数值模拟结果的影响,在此基础上开展了2A70合金平板弹道冲击试验的数值模拟对比,研究了弹体穿透过程中平板的能量耗散机理。数值模拟结果表明:平板变形和破裂的过程可以分为压缩阶段、能量转化和相互摩擦三个阶段,其中前两个阶段消耗了绝大部分撞击能量。　　(3)从织物的宏观力学特性出发,将典型的“软壁”材料Kevlar49织物等效为宏观连续体,以MLT模型和线性粘弹性Maxwell模型为基础,推导了适合描述Kevlar49织物的率相关复合材料模型,并结合已知的Kevlar49干织物力学特性数据拟合了模型参数,采用单个壳单元拉伸和钢球撞击单层织物算例,校验了应变率相关的复合材料模型对Kevlar49织物动态力学行为描述的有效性。　　(4)设计了干织物的恒张力缠绕装置,开展了多层Kevlar49织物的弹道冲击试验,试验结果表明正交编织的特点决定了受撞击过程中织物的横向变形顺着主纱的正交方向传播,因此出现“金字塔”变形;平纹织物损伤包含了局部“trap door”形失效和整体的卷曲变形。采用单层和多层有限元模型,进行了弹道冲击数值模拟分析,讨论了入射速度、撞击角度、织物的层数和边界对织物抗冲击能力的影响。模拟结果证明织物的单层和多层模型均能描述织物受冲击后的变形响应,估计织物吸收的能量,此外发现弹体的入射速度和撞击角度、织物的层数和边界均对多层织物吸收能量的能力有一定的影响。　　(5)在上述数值模拟方法研究与弹道冲击试验验证的基础上,开展了典型铝合金“硬壁”机匣和铝合金缠绕Kevlar49织物组成的“软壁”机匣的包容性数值模拟,研究了丢失风扇叶片的轨迹、丢失叶片与相邻叶片以及机匣之间的撞击过程、比较了“硬”“软”两种典型机匣的包容机理和失效模式。数值模拟结果表明“硬壁”和“软壁”机匣两种包容设计各自有其特点,设计的时候根据具体的方案,除了考虑机匣的包容能力外,还应该考虑叶片韧性,机匣刚度以及发动机迎风面积等因素。