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。     

爬升阶段涡扇发动机核心流道吸鸟适航审定

研究涡扇发动机核心流道吸鸟对发动机的影响，分析核心流道吸鸟与风扇叶片鸟击的损伤模式及关键要素的差异。采用光滑粒子流体动力学方法开展某发动机风扇增压级内涵的吸鸟数值模拟，研究吸鸟位置、鸟速和风扇转速等关键参数对鸟体碎片轨迹及质量分布的影响，确定核心流道吸鸟最严苛工况条件。结果显示：鸟撞击进口导流叶片中心位置时鸟体切片质量较大；在较高鸟速和较低风扇转速下进入内涵的鸟体切片质量较大。研究结果支撑了某型涡扇发动机核心流道吸鸟专用条件的制定，要求在典型的爬升阶段允许的最大爬升速度以及最小风扇转速条件下开展吸鸟试验，同时试验用到的这只鸟的撞击位置应该使吸入核心流道的鸟的质量最大。     

发动机一级转子抗鸟撞试验与数值模拟研究

鸟撞发动机在鸟撞事故中最容易造成飞机损坏失事的情况,为了研究发动机一级压气机转子抗鸟撞适航性能,对发动机转子在工作状态下进行鸟撞试验,鸟体质量为1 000 g,撞击速度为195 m/s,发动机一级转子转速为8 525 r/min;基于显式碰撞动力分析软件PAM-CRASH 建立相应的叶片鸟撞数值计算模型,通过与试验结果的对比来验证本文计算模型的合理性;根据发动机适航条例分析不同工况下发动机一级转子抗鸟撞性能。结果表明：大鸟撞击相比于中鸟鸟群和小鸟鸟群,对于叶片的撞击结果更加恶劣;叶尖位置撞击会引起叶尖部位的大变形,叶根和叶中位置撞击会引起叶片根部较大的集中应力,导致叶片断裂。     

宽弦空心风扇转子叶片鸟撞损伤数值仿真

为解决航空发动机宽弦空心风扇转子叶片抗鸟撞设计问题,对宽弦空心风扇转子叶片鸟撞损伤进行了数值仿真。采用光滑质点流体动力学（SPH）算法建立鸟体模型,采用J-C本构模型和失效模型定义材料冲击下动态性能,建立旋转状态下叶片鸟撞数值仿真方法,经过试验验证能够较准确预测叶片损伤。开展相同条件下鸟撞击宽弦空心和实心风扇转子叶片仿真,对比鸟撞击叶片过程、撞击时叶片叶尖最大轴向和径向变形、撞击后叶片永久变形,研究被鸟撞击后空心叶片相比实心叶片的损伤特征。结果表明：空心和实心叶片鸟撞击过程相同;空心叶片被鸟撞击后叶尖轴向和径向变形更小;空心叶片被鸟撞击后前缘卷边变形更严重,对风扇气动性能和稳定性影响更大;在结构设计时应适当增加前缘空心区域局部刚度,或者适当增大前缘实心区域范围,用于提高空心叶片的抗鸟撞能力。     

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。     

航空发动机风扇叶片的抗鸟撞设计

根据航空发动机结构特征和鸟撞后的风扇叶片损伤特征,提出风扇第一级转子叶片是发动机抗鸟撞关键零件,叶片前缘为抗鸟撞设计关键部位。建立一种风扇叶片鸟撞理论分析方法,研究撞击工况、结构参数与鸟撞过程、损伤模式、损伤程度的关系,提出前缘角度是抗鸟撞能力关键结构参数。当撞击工况确定后,前缘角度决定了撞击形式和叶片损伤模式,影响损伤程度。采用显示动力学仿真分析方法,设计了一种带前缘特征的模型,对前缘角度的影响规律进行了验证,并开展了实际风扇叶片改进设计,改进后的叶片被鸟撞击后变形减小最少33%,抗鸟撞击能力明显提升。     

高转速风扇叶片外物撞击损伤的定量评价方法

外物撞击是造成航空发动机风扇叶片变形、损伤甚至断裂的主要因素。针对外物撞击持续时间短、瞬间载荷大、损伤影 响因素多，难以进行定量损伤评价的问题，提出基于叶片损伤参数α的叶片损伤定量评价方法。以发动机风扇叶片受冰撞为例， 采用非接触叶尖计时测量方法，对叶片撞击产生的叶尖位移进行监测分析，验证了该方法的可行性。采用瞬态动力学分析方法对 叶片经受撞击过程进行全流程仿真模拟，并采用正交试验法定量研究了外物撞击过程中的撞击速度、叶片转速、撞击位置3种因 素对叶片损伤参数α的影响，拟合回归方程并绘制了这3种因素的3D响应曲面图，得到各因素的影响权重。结果表明：冰块速度 与撞击位置同时下降时，叶片损伤弱化效果显著。该方法可为大型风扇叶片抗外物打击性能设计和在役健康监测提供理论支撑。     

航空发动机风扇转子叶片外物损伤I.鸟撞击试验研究(英文)

本文改进了叶片鸟撞击试验条件。对某型发动机风扇一级转子叶片进行了鸟撞击试验。通过对叶片的鸟撞击瞬态响应分析和撞击前后叶片叶型变化的分析,验证了风扇一级转子叶片的抗鸟撞击性能,为某型发动机风扇转子叶片的抗外物损伤设计提供了依据。     

发动机叶片鸟撞击瞬态响应的数值模拟

 简介了叶片鸟撞击瞬态响应的计算方法, 并采用接触冲击算法计算模拟了不同质量的鸟撞击单个、多个及整级叶片的瞬态响应过程。结果表明: 接触冲击算法能较为真实反映叶片鸟撞击过程; 不同质量的鸟撞击叶片时, 叶片变形与应力有较大的差异; 大质量的鸟撞击时, 必须考虑撞击区附近的局部塑性变形、叶尖位移以及叶根的局部塑性变形。研究结果对于进行我国叶片抗鸟撞击损伤设计具有重要参考价值。     

CFM56-5B型发动机风扇叶片鸟撞有限元仿真

针对CFM56-5B型发动机风扇叶片受鸟击问题,目前常采用实验和数值仿真两种方法,前者因成本条件客观问题难以实现,因此本文采用数值仿真来深入研究这一难题。本文运用CATIA三维软件进行建模,最大程度与实际风扇叶片相符,鸟体则采用目前应用广泛的椭球体流线型模型,运用LS-DYNA隐式求解方法对叶片进行离心应力初始化,建立了鸟撞叶片的数值计算模型,分析了鸟撞叶片的动态响应,通过大量仿真,得出鸟撞叶片的机械损伤程度与鸟的速度、受撞击位置之间的关系,为发动机风扇叶片的抗鸟撞设计提供帮助。     

基于统计特征的航空发动机风扇外物撞击检测

为了检测识别航空发动机工作过程中的风扇外物撞击事件,采用非接触叶尖振动测量系统对风扇叶片叶尖振动位移进行实时采集与检测。通过风扇叶片非接触叶尖振动位移数据统计分析,发现叶尖振动位移服从正态分布,并采用Epps-Pulley假设检验证明。设计了基于统计特征的风扇叶片外物撞击叶尖振动位移检测算法,采用该方法获取了风扇转子不同转速下外物撞击叶尖振动位移检测阈值。对风扇转子转速为3000r/min状态下,直径16mm、质量为2.9g的外物弹体撞击风扇叶片的振动位移数据进行分析,并采用高速摄像系统对该方法识别结果的可靠性进行验证。结果表明:基于统计特征的发动机风扇外物撞击检测方法,能够准确识别外物撞击风扇叶片事件及发生撞击的叶片编号。     

Foreign Object Damage to Fan Rotor Blades of Aeroengine Part Ⅰ: Experimental Study of Bird Impact

The conditions of experiment for bird impact to blades have been improved. The experiment of bird impact to the fan rotor blades of an aeroengine is carried out. Through analyzing the transient state response of blades impacted by bird and the change of blade profile before and after the impact, the anti-bird impact performance of blades in the first fan rotor is verified. The basis of anti-foreign object damage design for the fan rotor blades of an aeroengine is provided.     

Foreign Object Damage to Fan Rotor Blades of Aeroengine Part I： Experimental Study of Bird Impact

The conditions of experiment for bird impact to blades have been improved. The experiment of bird impact to the fan rotor blades of an aeroengine is carried out. Through analyzing the transient state response of blades impacted by bird and the change of blade profile before and after the impact, the anti-bird impact performance of blades in the first fan rotor is verified. The basis of anti-foreign object damage design for the fan rotor blades of an aeroengine is provided.     

基于方差分析的航空发动机风扇叶片外物撞击识别

航空发动机工作过程中风扇外物撞击事件的检测与识别对飞机飞行安全至关重要。通过风扇叶片外物撞击试验平台模拟真实发动机受外物撞击的过程,研究风扇外物撞击规律与检测识别方法。针对航空发动机的机载参数和加装振动参数对风扇外物撞击事件识别难度高与识别准确率低的问题,开展了基于非接触风扇叶片叶尖振动测量的外物撞击检测试验,提出了基于非接触叶尖振动位移方差威布尔分布函数极大似然估计与自动门限检测系统的风扇叶片外物撞击自动门限识别方法,并获取了风扇转子不同转速下外物撞击叶尖振动位移方差识别门限值。选取风扇转子转速为3 000 r/min状态下,直径为16 mm、质量为2.9 g的外物弹体撞击风扇叶片的振动位移数据进行分析,并采用高速摄像系统对该方法识别结果的可靠性进行验证,结果表明：基于非接触叶尖振动位移方差分析法能够准确识别风扇叶片外物撞击事件、撞击叶片编号与撞击叶片数。     

Numerical simulation of a UAV impacting engine fan blades

A 3D digital model of a small Unmanned Aerial Vehicle (UAV) is obtained by using the method of scanning reverse modeling and joint mapping. A numerical simulation of a small UAV strikes on rotary engine blades, presented in this paper, was performed with a Transient Nonlinear Finite Element code PAM-CRASH software. A test of motor strike on plate was developed and the dynamic response of the plate were obtained to validate the numerical simulation method of a UAV strike on blades. Based on this, dynamic damage response caused by UAV on the engine blades were studied. It is indicated that the impact process between the UAV and a single blade can be divided into two typical stages: cutting and impact. Cutting mainly leads to the failure of the leading edge material, and impact mainly leads to the plastic deformation of the blade. At the same time, it is compared with the damage impacted by bird with the same mass. For the same mass of bird and UAV, the damage caused by UAV striking fan blade is more serious, and 1.345 kg UAV striking fan blade of typical civil aviation engine is enough to cause damage to flight safety.     

Investigations of tip-jet and exhaust jet development in a ducted fan

The major aim of this work is to investigate the tip-jet and exhaust jet development in a ducted fan as well as the impact on the fan’s performance. The flow field of the ducted fans under the solidity varied from 0.2 to 0.7 are simulated by using the shear-stress transport k-ω turbulence model with a refined high-quality structured grid. The exhaust jet trajectory, expanding range and the flow intersection of the jet and mainstream in the blade passage are analyzed. As the results suggest, the flow direction of the exhaust jet is deflected by the downwash and Coanda effect. The major decay region of the exhaust jet can extend at least 2 times the blade chord downstream from the blade trailing edge. The blade circulation is impacted by the tip-jet rather than the exhaust jet from the upstream when the blade tip pitch angle is 8°, and the fan solidity is less than 0.7. The blade tip thrust is reduced by the interruption from the exhaust jet when the blade tip pitch angle is 2°, and the fan solidity is larger than 0.3.     

评定叶片鸟撞击损伤的参数与方法

探讨了在叶片抗岛撞击损伤研究中叶片损伤能力的评定参数与评定方法。结合发动机设计准则与设计规范的要求,提出了2个用于评定叶片损伤能力的叶片变形损伤参数和塑性应变损伤参数;经对模型叶片在不同撞击位置进行的鸟撞击损伤评定,证明方法可行     

跨声速风扇转子叶尖小翼设计与扩稳机理研究

为了揭示叶尖小翼对跨声速风扇转子气动性能的影响机理,采用数值模拟方法研究了跨声速风扇转子NASA Rotor 67附加不同叶尖小翼的气动特性,并在分析不同叶顶间隙时风扇转子失稳机制的基础上探究了叶尖小翼的扩稳机理。研究结果表明:最大宽度的压力面小翼在小间隙、设计间隙和大间隙情况下分别使风扇转子失速裕度提高32%,33.6%和70.6%。小间隙时,转子叶尖泄漏涡和叶片吸力面附面层分离是影响风扇转子失稳的关键因素,设计间隙和大间隙时,叶尖泄漏涡导致的大面积阻塞区是影响风扇转子失稳的关键。三种不同叶顶间隙情况下,压力面小翼的扩稳机制均在于有效降低了转子叶尖泄漏涡强度,减弱了叶尖泄漏涡导致的低轴向速度区流体的阻塞程度。