航空发动机风扇转子叶片外物损伤II.鸟撞击数值仿真(英文)

鸟撞击是飞行安全最严重的威胁之一。鸟撞击的后果非常危险,因而,在进入服役之前,飞机部件必须通过抗鸟撞认证。航空发动机风扇转子叶片是容易受到飞鸟撞击的飞机部件之一,在设计时必须考虑使航空发动机风扇转子叶片具有抗鸟撞击的能力,降低由于鸟撞击叶片而引起的飞行事故。采用接触冲击算法,对航空发动机风扇转子叶片进行了模拟鸟撞击数值仿真。针对风扇叶片具有阻尼凸台的特点,分析中建立了三叶片组计算模型。得到了对应试验测试点的模拟鸟撞击叶片的瞬态响应曲线、叶片的位移和当量应力。比较了试验中和数值仿真中模拟鸟撞击叶片的瞬态响应曲线,试验中测试点与数值仿真中对应点的变化基本相同。分析了叶片的变形过程、最大位移和最大当量应力。模拟鸟撞击风扇叶片数值仿真验证并补充了模拟鸟撞击风扇叶片试验结果。     

航空发动机吞冰损伤一体化数值模拟平台搭建与验证

为了给航空发动机在进气条件下的吞冰损伤物理试验提供多方案快速优化的数值参考,建立了航空发动机叶片吞冰损 伤快速分析的数值模拟方法和流程,并形成了1套软件系统。该系统通过研究发动机进气吞冰过程中冰体6自由度运动姿态和轨 迹的流场快速模拟方法,建立了吞冰流场的数值仿真模型;通过冰体的本构模型及冰体撞击叶片损伤效应的系统研究,准确建立 了叶片损伤模型;将吞冰流场计算和冰撞击过程计算进行了一体化耦合,形成了航空发动机叶片吞冰损伤的快速分析软件系统, 建立了冰块运动姿态、冰块撞击叶片破碎过程及轨迹预测的一体化仿真流程。结果表明：数值计算方法能够有效预测冰块运动轨 迹和撞击变形量,变形量误差不大于8%;该软件系统有效地解决了吞冰损伤复杂过程有限元模型的自动生成问题,极大地提高了 分析效率,可有效节约试验成本、提高试验效率。     

鸟撞击风扇转子叶片损伤模拟与试验研究

为了研究航空发动机吞鸟时风扇叶片受到的损伤,开展鸟撞击旋转状态下发动机风扇叶片损伤数值模拟和试验研究。采用SPH方法,使用PAM-CRASH软件对鸟撞击旋转状态下风扇叶片进行了数值模拟,得到了鸟撞击风扇叶片过程:风扇叶片前缘撞击并切割鸟体、叶片盆侧撞击鸟体切片和叶片恢复变形,详细分析了鸟撞击对风扇叶片前缘、叶身、尾缘、凸肩造成的损伤,以及损伤对发动机的影响。设计并开展了旋转状态下鸟撞击风扇转子试验,得到了旋转状态模拟鸟撞击风扇过程,以及旋转状态下鸟撞击风扇实际的损伤类型,撞击过程和损伤类型与数值模拟结果一致。数值模拟和试验结果表明,鸟撞击风扇主要过程为叶片前缘撞击切割鸟体,主要损伤为风扇叶片前缘变形、撕裂、掉块和凸肩工作面错位、掉块,风扇叶片抗鸟撞击的薄弱部位为风扇叶片前缘和凸肩工作面。     

某型发动机一级风扇机匣包容性数值仿真

为研究航空发动机机匣/叶片包容性过程机理,以某型发动机一级风扇机匣/叶片为对象,建立了三种有限元模型,研究了最高工作转速下的非包容过程,分析了完整叶片等对非包容过程的影响.结果表明:该型发动机一级风扇机匣是非包容的;机匣初始裂纹的主要失效模式为双向拉伸应力下的拉伸失效,随后裂纹扩展产生大范围的撕裂;断叶受较复杂载荷的作用,最终在凸肩处断裂成二部分;断叶与机匣的撞击过程可分成三个阶段,第一次撞击为叶尖与机匣的轻微撞击,第二次撞击作用力最大,而第三次撞击受断叶后侧完整叶片的作用非常明显.受完整叶片的撞击,断叶动能有明显的增加.      

航空发动机真实机匣的包容性试验

为了研究某发动机机匣的包容性, 在旋转试验器上进行了该机匣的包容性试验.试验考虑了相邻叶片的影响, 得到了叶片断裂甩出时的转速、断叶撞击机匣的应变响应和断叶撞击机匣过程的高速摄影照片.试验结果表明, 断叶与机匣碰撞了两次, 第2次撞击时在未断叶片作用下断叶击穿机匣, 机匣的失效模式主要是剪切破坏.采用包容曲线法对机匣的包容性进行了计算, 计算结果与试验结果吻合良好.研究结果对航空发动机机匣的包容性设计有一定的参考价值.      

平板条叶片侵彻靶板的动响应研究

为了研究真实航空发动机机匣的包容性,对平板条叶片以不同初始速度撞击矩形靶板的侵彻机理进行了数值仿真研究。通过分析撞击过程中叶片加速度、速度、位移的变化,了解了与试验相符的撞击、变形、撕裂和失效过程。利用有效的数值模型验证了叶片初始速度与残余速度之间的关系满足Recht-Ipson公式,且工程中常用的破坏势能法可用于初步预测残余速度。     

航空发动机叶片包容模拟试验与数值仿真研究

为研究航空发动机机匣对断裂叶片的包容性,进行了高速飞断平板叶片撞击同心圆筒的试验,并利用MSC．Dytran软件仿真计算了试验过程。经对比,计算结果和试验结果吻合性较好。通过对结构塑性动力学响应和叶片变形过程的分析,指出了叶片断裂时的不同转速对撞击过程及结果的影响。     

航空发动机风扇叶片冰雹撞击仿真

为预估航空发动机风扇转子叶片受到冰雹撞击后的损伤情况,基于PAM-CRASH软件进行冰雹撞击风扇转子叶片仿真。采用SPH方法和带失效应变的弹塑性材料模型建立冰雹数值模型,模拟冰雹撞击铝合金平板过程,仿真结果与试验数据吻合较好。针对冰雹撞击旋转状态风扇转子叶片试验,建立3维风扇转子有限元模型,使用带失效模型的J-C本构模型定义叶片材料性能,采用该冰雹模型对试验过程进行仿真,获得的冰雹撞击过程和叶片损伤与试验结果基本相同,叶片凹陷深度误差小于10%。仿真与试验结果对比表明:风扇叶片冰雹撞击仿真方法能够预估叶片被冰雹撞击后的损伤情况,可用于叶片抗冰雹撞击设计与评估。     

机匣包容性破坏势能法的试验验证

为了验证航空发动机机匣包容性破坏势能法，本文完成了20次模型机匣包容性冲击试验，得到了模型叶片撞击模型机匣时的速度、应变响应和模型叶片撞击模型机匣过程的高速摄影照片。试验结果表明，该模型机匣的非包容失效模式主要是剪切破坏。本文还采用数值分析方法对机匣包容性进行了模拟，计算结果与试验结果吻合良好。     

风扇叶片爆炸飞断等效试验与分析方法

针对航空发动机风扇叶片爆炸飞断试验难度大、成本高的问题,在发动机研制初期,通过等效平板试验件爆炸损伤机理试验,模拟风扇叶片实际损伤与飞断过程.基于包容性试验对叶片爆炸飞断位置、转速、时间和额外动能的要求,以飞断质量、动能和损伤截面积等效为准则,首先,根据飞断截面平均应力进行等效平板和爆炸结构设计.然后,采用显式动力学数...     

Containment of soft wall casing wrapped with Kevlar fabric

Aramid fabrics have been commonly used in the civil turbofan engine fan blade containment system for its excellent performance. To investigate the behavior and capability of soft wall containment casing, a series of fan blade released tests were conducted on the high-speed spin tester.The soft wall casing was fabricated by wrapping multiple layers of Kevlar49 plain woven fabric around a thin steel ring. Casings with different inner metal ring and outer fabric layers number were compared. The method of using the explicit dynamic software LS-DYNA to establish the finite element analysis model for the quantitative analysis of the containment process was developed and conducted. The simulation results are in good agreement with the test results. It is shown that the containment process of the soft wall casing can be divided into three impact stages. The casing with low-stiffness inner metal ring will get severe overall deformation and lose the structural integrity when it suffers the blade impact. Kevlar fabric layers will appear large bulge on outside surface and absorb the most impact dynamic energy of the high speed released fan blade. By summing up the results of the test and simulation, an empirical critical equation was derived to describe the relationship between the released blade dynamic energy and the Kevlar fabric thickness.     

环形编织层板冲击包容数值模拟

为分析航空发动机复合材料机匣对破断叶片的包容,采用有限元仿真方法开展了计算研究。通过旋转体与机匣冲击破坏过程的计算,确定机匣的包容能力。基于具备显式求解功能的商用有限元软件Abaqus/Explicit,采用3维实体单元网格,将2维3轴编织的碳纤维层合材料简化成连续的正交各向异性材料,通过软件提供的Vumat用户子程序接口编写Fortran代码定义材料模型,计算与转轴分离后的模拟断裂叶片对机匣的冲击过程。通过冲击后的临界转速和能量吸收数据,比较了模拟计算与实物旋转冲击模拟试验的结果,二者具有较大的可比性。虽然计算中还缺乏材料基本性能表征的理想数据,但在多种工况下仿真计算表明模拟结果稳定,有望成为复合材料包容分析实用有效的方法。     

航天发动机机匣包容性试验的数值模拟

本文采用基于冲击动力学理论的有限元数值分析方法模拟了在旋转试验器上进行的某发动机机匣的包容性试验过程,反映了撞击过程中断叶和机匣的能量变化历程,较好地模拟了试验结果。研究结果对航空发动机机匣的包容性设计有一定的参考价值。     

Aeroengine turbine blade containment tests using high-speed rotor spin testing facility

The blade containment test is regarded as an essential assessment of aeroengine safety. This paper presents the results of a series of blade containment tests where a double edge notched blade was released at certain rotating speed which subsequently impacted the inner wall of the containment ring. These tests were conducted over a range of blade lengths (113–123 mm) and releasing speeds (6800–15 000 rpm) using the high-speed rotor spin testing facility in the laboratory. It is shown that great attention should be paid to the failure of the containment rings caused by the second impact. Numerical simulations are carried out using nonlinear finite element method to study the impact process. The simulation results agree with the experimental results. Current experimental and numerical methods will be extended to actual aeroengine cases involving more complex blades and containment rings.     

Containment ability and groove depth design of U type protection ring

High-energy rotor uncontained failure can cause catastrophic damage effects to aircraft systems if not addressed in design. In this paper, numerical simulations of three high-energy rotor disk fragments impacting on U type protection rings are carried out using LS-DYNA. Protection rings with the same mass and different groove depths are designed to study the influence of the groove depth. Simulation results including kinetic energy and impact force variation of single fragment are presented. It shows that the groove depth infects both the axial containment ability of the protection ring and the transfer process of energy. The depth of groove ought to be controlled to an appropriate value to meet both the requirement of axial containment and higher safety factor. Verification test on high-speed spin tester has been conducted and shows that protection ring with appropriate U structure can resist the impact of the disk burst fragments. The ring is inflated from a circular to an oval-triangle shape. The corresponding simulation shows good agreement with the test.