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。     

航空发动机机匣包容性试验研究

为了研究某型发动机机匣的包容性，在立式旋转试验器上进行了包容性试验。在进行叶片飞断转速控制时，提出1 种改 进的预置切口的方法，并通过拉伸试验和有限元法确定了切口预留面积。考虑了相邻叶片对飞断叶片的影响，制定了试验方案，获 得了叶片的飞断转速、断叶与机匣的撞击影像、转子的冲击载荷、试验过程中的轴心轨迹和机匣受到撞击后的动态响应。结果表明： 涡轮叶片在5620 r/min 转速下飞断，准确控制在预定范围内，该型机匣能够包容失效叶片，测试方案合理有效，可为航空发动机机 匣包容性试验提供参考。     

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.      

双层模型机匣和叶片的包容性问题数值模拟

采用显式动力分析有限元技术,研究了飞断叶片模型与机匣模型的撞击过程,并且计算了不同类型机匣模型包容情况下的临界转速。计算结果表明,双层机匣模型的包容能力明显地优于单层机匣模型,间隙情况对双层机匣模型的包容能力有一定的影响。研究结果对多层航空发动机机匣的包容性设计有一定的参考价值。     

基于打靶试验的风扇机匣包容能力评估方法

为保障飞行安全,航空发动机机匣需具有足够的抗冲击能力以包容高速旋转状态下丢失的叶片。针对某型涡扇发动机对开式风扇机匣包容性评估需求,提出了1种结合真实机匣打靶试验和有限元分析评估机匣包容能力的方法。通过使用真实机匣和真实叶片进行打靶试验获得风扇机匣的冲击损伤情况,并基于ANSYS/LS-DYNA进行了瞬态动力学有限元分析。结果表明:采用Johnson-Cook模型预测的机匣伤形状、尺寸以及叶片残余速度均与试验结果接近,验证了数值分析方法的准确性。采用验证过的数值分析方法开展旋转状态下机匣的包容性评估,发现由于撞击姿态差异和失效模式转变,风扇机匣可以包容以100%工作转速飞出的叶片,但机匣出现长裂纹,接近临界包容状态。所提出的方法可以在不具备部件包容试验条件的情况下,以较方便的形式对机匣包容能力可靠评估。     

多重激励下机匣振动能量传递规律与耦合特性

为了研究机匣振动能量的传递规律和转子多重不平衡激励能量在机匣上的耦合特性,采用有限元法建立了包括压气机机匣、燃烧室机匣和涡轮机匣组件在内的航空发动机整机机匣模型,应用结构声强法计算分析了机匣在不同激励频率下振动能量的传递规律和耦合特性。结果表明：（1）机匣共振时,振动能量的穿透力最强,主要以纵波和剪切波的形式穿过机匣安装边向其他部件传递。（2）机匣的模态振型与其振动能量传递特性有关,振动幅值较大的机匣组件同时也是主要参与振动能量传递的机匣组件。（3）振动能量在机匣上的传递具有解耦特性,多重激励同时作用下的机匣振动能量传递特性可以分解为多个单一激励作用下机匣振动能量的线性矢量和。     

多重激励下机匣振动能量传递规律与耦合特性

为了研究机匣振动能量的传递规律和转子多重不平衡激励能量在机匣上的耦合特性,采用有限元法建立了包括压气机机匣、燃烧室机匣和涡轮机匣组件在内的航空发动机整机机匣模型,应用结构声强法计算分析了机匣在不同激励频率下振动能量的传递规律和耦合特性。结果表明:(1)机匣共振时,振动能量的穿透力最强,主要以纵波和剪切波的形式穿过机匣安装边向其他部件传递。(2)机匣的模态振型与其振动能量传递特性有关,振动幅值较大的机匣组件同时也是主要参与振动能量传递的机匣组件。(3)振动能量在机匣上的传递具有解耦特性,多重激励同时作用下的机匣振动能量传递特性可以分解为多个单一激励作用下机匣振动能量的线性矢量和。     

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。     

机匣螺栓连接分区域薄层单元建模方法

机匣连接的螺栓预紧力大小对其动力学特性影响较大。为更准确反映其接触刚度随预紧力的变化情况,采用分区域薄层单元方法代替螺栓连接部分,并基于螺栓连接超模型刚度理论、赫兹接触理论以及M-B分形模型,推导出不同螺栓预紧力下分区域薄层单元的弹性模量,模拟机匣连接部分的轴向接触刚度,给出螺栓连接机匣简化建模方法。并以1个螺栓连接试验机匣为例,对比在不同螺栓预紧力下机匣仿真频率与模态试验频率,最大误差仅为2.83%。结果表明:分区域薄层单元建模方法能够有效地对不同预紧力下的螺栓连接机匣进行简化建模。     

复合材料风扇叶片-机匣碰摩振动的数值模拟

基于全三维模型的复合材料风扇叶片-机匣碰摩动力学特性的数值研究。建立了复合材料三维风扇叶片-机匣实体有限元模型,考虑叶片离心刚度的影响,机匣由贝塞尔曲面拟合,风扇叶片采用3种不同铺层形式。基于该模型,在机匣二节径变形的情况下,计算了不同铺层叶片在不同转速下与机匣碰摩后的动力学响应。计算结果表明:铺层形式对叶片中、低转速下的碰摩振动形式影响较大,带有90°铺层的叶片的最高振幅及不稳定振动所在区域的转速相对较低,改变铺层形式可以对复合材料风扇叶片-机匣的碰摩动力学特性加以控制。当转速靠近由3倍频与叶片1阶模态造成的共振点附近,或由6倍频与叶片2阶模态造成的共振转速附近时,叶片与机匣的碰摩会导致非稳定振动的产生。该方法与结果对复合材料风扇叶片的碰摩动力学特性研究具有一定指导意义。      

叶片丢失后发动机整机响应模拟试验与仿真

依据大涵道比涡扇发动机结构设计了叶片丢失试验台,开展了一系列模拟叶片丢失试验,并采用显式有限元方法进行了数值仿真,研究了发动机叶片丢失后整机结构响应与载荷传递规律。结果表明:丢失叶片与机匣存在叶尖与叶身两次撞击,对应的加速度曲线存在两个响应峰值;转子转速越高,加速度响应幅值越大。叶片飞断后转子不平衡载荷传递路径为前轴承支承-中轴承支承-中介支板-机匣结构;叶片撞击机匣导致的冲击载荷则由风扇机匣向后传递,最终传给吊装结构;发动机承受的载荷是由不平衡和冲击影响耦合得到,其中冲击载荷为主要部分。该研究为掌握真实发动机叶片丢失下整机响应规律提供了试验模拟方法与数值仿真分析工具。      

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.      

几种摇臂与联动环连接结构对比分析

为了改善航空发动机整体性能和可靠性,以航空发动机从地面起动到巡航过程为研究对象,采用热-固耦合分析方法,对涡轮转子叶尖径向运行间隙(BTRRC,Blade-tip Radial Running Clearance)进行动态分析.在分析中考虑了材料属性的非线性和温度载荷、离心载荷的动态性,分别对涡轮的叶片、盘和机匣的变形进行计算和分析,得到了涡轮叶尖径向运行间隙的变化规律,以及BTRRC最小点(可选择t=180 s)和最小值(约0.18 mm),为进行进一步涡轮叶尖径向运行间隙的动态概率分析和动态优化设计奠定了基础.     

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.     

新型叶片-机匣碰摩模型及其验证

针对航空发动机叶片-机匣碰摩故障,提出了一种新型叶片-机匣碰摩模型,该模型在传统弹性碰摩模型的基础上,考虑了叶片数和转静间隙变化对碰摩力的影响,能够模拟机匣单点、多点、局部及全周,转子的单点、多点、局部和全周的碰摩规律.将所提出的碰摩模型运用于转子-支承-机匣耦合动力学模型中,利用数值积分获取碰摩故障下的机匣加速度响应规律.利用带机匣的航空发动机转子实验器,进行了叶片-机匣的机匣单点-转子全周的碰摩实验,发现了机匣振动加速度信号的碰摩特征具有明显的周期冲击特征,其冲击频率为叶片通过机匣的频率,在数值上等于旋转频率与叶片数的乘积,在频谱高频段出现了叶片通过频率及其倍频,冲击的大小受旋转频率调制,倒频谱具有旋转频率及其倍频的倒频率成分,仿真和实验取得了很好的一致性,验证了所提出的叶片-机匣碰摩新模型的正确有效性.最后,在此基础上,仿真计算了多种碰摩模式下的机匣振动特征和规律.      

航空发动机复合材料机匣弹道冲击特性

为获得复合材料作为风扇包容机匣时遭受叶片冲击载荷时的动态响应、损伤与失效模式,在空气炮装置上使用叶片形弹体对Kevlar织物层合板开展了弹道冲击试验,结果发现:复合材料靶板厚度提高25%,复合材料靶板吸收的能量提高约92%;随着叶片弹体速度的增加,复合材料靶板的损伤破坏逐渐严重,从轻微的压痕,转变为横向和纵向裂纹与分层损伤,再转变为矩形穿孔,同时靶板背面出现纤维断裂、纤维拔出与分层失效等现象;在叶片弹体撞击下,靶板上在与弹体接触的局部区域形成鼓胀变形,并在弹体击穿或反弹后发生变形回复;叶片弹体的横滚角将导致叶片的作用范围增大,使得靶板抗冲击性能有所提高。