单/双轴预拉载荷对碳纤维复合材料高速冲击性能的影响研究

针对发动机工作时受预载荷的叶片受到外物冲击的情况,设计一种面内单轴及双轴预加载装置,开展单轴与双轴不同大小预拉载荷下碳纤维/环氧树脂复合材料（T700/TDE-86）的高速冲击试验,探究预拉载荷对复合材料抗冲击性能的影响,并结合超声C扫描分析预拉载荷对损伤面积的影响。结果表明：面内初始载荷对复合材料层合板抗冲击性能和分层损伤面积有显著影响;预拉载荷会提高靶板的抗弯刚度,减少靶板吸收的能量,减小弹道极限,且在双轴预拉情况下更明显;弹体击穿靶板后分层损伤面积几乎不变,而预拉载荷会减小分层损伤面积,且在双轴预拉情况下更明显。     

平纹机织与2.5D机织复合材料平板弹道冲击特性对比

为研究碳纤维平纹机织和碳纤维2.5D机织复合材料平板的弹道冲击响应及失效模式,在空气炮装置上使用圆柱弹体对其进行了弹道冲击试验。通过弹道极限速度、吸能总量、单位面密度吸能量和单位厚度吸能量等指标评估其弹道冲击特性,并采用超声C扫描和CT扫描唯象分析其冲击损伤。结果表明：在等厚度下,碳纤维平纹机织复合材料平板与碳纤维2.5D机织复合材料平板相比,展现了更优的弹道冲击性能。碳纤维平纹机织复合材料平板的主要失效模式为分层失效,碳纤维2.5D机织复合材料平板主要为剪切充塞失效。与碳纤维2.5D机织复合材料平板相比,平纹机织复合材料平板弯曲变形明显,大量的纤维拉伸失效增加了平板吸能量,提高了弹道极限速度,但分层会导致平板损伤区域大,完整性较差;碳纤维2.5D机织复合材料平板损伤区域小,完整性好。     

复合材料风扇叶片鸟撞损伤的精细化分析方法

为了研究复合材料风扇叶片鸟撞损伤机理并指导研发设计,提出一种鸟撞复合材料风扇叶片的精细化分析方法。建立 了包含铺层信息的复合材料风扇叶片精细化有限元模型,进行中鸟撞击工况的数值计算,基于ANSYS-Workbench软件的自动化 脚本和MATLAB程序提取铺层有限元结果数据进行失效分析,通过Tecplot实现结果的可视化并结合叶片冲击响应进行叶片损伤 分析。结果表明：叶片的冲击响应除周向弯曲、轴向弯曲、扭转以外,在伸根段以上部分还包含高阶模态成分;叶片内部失效明显, 叶片外表可见损伤较少;在伸根段和榫头内部50%弦长位置出现明显分层,发生基体开裂的铺层较多;相同角度铺层的纤维失效 和基体失效位置及演化规律相似,少量铺层在高阶模态影响下,在特殊位置失效;±45°铺层在伸根段前缘附近出现显著纤维拉伸 失效,该位置为叶片的鸟撞薄弱点。     

不同等级损伤复合材料层压板的压缩失效行为

研究了目视不可检与可检损伤对CF3052/5224复合材料层压板冲击后压缩失效行为的影响.对复合材料进行了低速冲击和冲击后压缩试验,采用超声C扫描、宏观断口观察等手段将两种损伤等级试样的失效模式进行了对比,同时分析了冲击凹坑深度随冲击能量变化中存在拐点的现象.结果表明:目视不可检损伤层压板主要是基体开裂和分层,目视可检损伤层压板除基体开裂和分层严重外,还存在大量的纤维断裂;两种等级损伤层压板在冲击损伤中心区域的侧面断口上可见由冲击造成的微屈曲失效特征,冲击损伤边缘未受冲击影响,其失效模式与无损伤层压板失效模式相同,均为剪切分层失效.     

复合材料层合板结构冲击损伤数值模拟的损伤力学模型

针对复合材料结构低速冲击损伤问题,基于连续损伤力学提出了一种动力学冲击条件下的三维损伤数值模型。模型中区分了层内损伤（纤维拉伸与压缩失效、纤维间拉伸与压缩失效）和层间分层损伤不同的失效模式。采用三维Puck失效准则与考虑压缩抑制效应的Aymerich准则对上述两类损伤进行判定,材料失效后基于连续损伤力学中线性软化模型对材料损伤进行演化。模型中考虑了复合材料层合板结构中子层的就位效应和损伤分析中的“连锁效应”。通过对Shi的冲击试验进行数值模拟,模型预测的冲击接触载荷、分层形状和尺寸与试验结果吻合较好,证明了所提出的数值模型对复合材料层合板结构低速冲击损伤预测的有效性。     

低速冲击下FMLs、铝板和复合材料的损伤对比

为提高飞机结构的损伤容限和抗冲击性能,欧洲成功研制了多种纤维金属层板(FMLs),并在具体机型结构上成功应用。对由玻璃纤维和2024-T3铝合金交替层压而成的FMLs进行落锤低速冲击试验,并与2024-T3铝合金板和准各向同性F300复合材料板进行了对比分析。FMLs完全穿透所需要的能量比2024-T3铝合金板和复合材料板分别高出约40%和6倍;在相同能量下,FMLs的背面裂纹长度比铝合金板短30%~50%。使用有限元法对FMLs动态冲击损伤过程进行了数值模拟,其中铝层采用延性损伤理论,纤维层采用Hashin失效准则,分析了层合板的动态冲击响应,总结了其损伤规律。数值结果与试验结果符合较好。     

T800/5228E复合材料层合板动态冲击力学响应

研究了宽冲击能量范围(12.8、25.5、34.2、42.3与51 J)内T800/5228E复合材料层合板动态冲击力学响应历程.结果表明,复合材料层合板损伤历程依次为裂纹引发→分层扩展→最大损伤→二次损伤等,冲击能量基本不会对其发展演化历程产生影响;力学损伤参数研究发现,赫兹失效载荷Fh与冲击能量成线性关系,而最大作用载荷Fmax与冲击能量为特定指数函数关系.不可逆能量Lw与能量吸收率η研究表明,两者均与冲击能量保持单调递增关系,反映复合材料板的损伤程度在加重,但损伤面积基本趋于稳定,纤维断裂等二次损伤可能成为新型能量吸收方式.     

低速冲击损伤对复材加筋板压缩性能的影响

对无损伤及含低速冲击损伤的复合材料加筋板进行了压缩试验,分别采用数字图像相关方法（DIC）、电测法对加筋板屈曲后屈曲行为进行了实时测量。试验结果表明：冲击损伤对屈曲载荷、屈曲模态影响不明显,对破坏载荷及破坏模式影响较大;相比于完好加筋板,含冲击损伤加筋板蒙皮纤维损伤沿着横向扩展,导致结构提前破坏,强度降幅达30%。随后,采用软化夹杂法对冲击损伤进行了等效简化,并基于改进的Tsai-Wu准则、二次应力准则建立了复合材料加筋板渐进损伤有限元分析模型,分别对完好及含冲击损伤加筋板压缩后屈曲失效过程进行了模拟。与试验结果相比,预测的屈曲载荷误差小于1%,破坏载荷误差小于6%,屈曲模态、失效过程及破坏模式均与试验结果一致。最后,基于有限元分析方法讨论了蒙皮上冲击损伤位置对加筋板压缩性能的影响,分析得出：冲击损伤位置对屈曲载荷、屈曲模态影响较小,对破坏载荷和破坏模式影响较大,特别是当冲击损伤位于长桁帽底蒙皮波谷时引起的强度降幅最为显著。     

三维机织复合材料弹道冲击试验研究

先进复合材料具有高比强度、高比模量等优点，是航空发动机应用研究的热点。本文通过弹道冲击试验研究三维机织复合材料平板在高速物体冲击下的损伤失效机制及其力学行为，采用高速相机记录下了靶板受冲击损伤变化过程，分析了不同速度对三维机织复合材料平板损伤形貌的影响。试验结果表明，三维机织复合材料具有优异的抗裂纹萌生和扩展性，冲击表面的主要破坏模式是纤维剪切破坏和基体破碎，在出口表面主要破坏模式是纤维拉伸断裂和基体开裂。本研究可用于支撑验证碳纤维增强树脂基复合材料包容性，为航空发动机复合材料机匣研制提供基础。     

含分层损伤国产碳纤维CCF300与T300碳纤维复合材料层合板压缩失效模式

对含单个分层损伤国产碳纤维CCF300与T300碳纤维复合材料层合板进行压缩试验,通过对同种中等厚度含不同分层大小、不同分层位置的层合板压缩失效后的宏微形貌及超声波C扫描检测结果的分析,研究了分层大小及分层位置对于国产碳纤维及T300纤维复合材料层合板失效模式造成的影响,比较了两种纤维复合材料失效模式的异同.结果表明,预制分层在压缩过程中都发生了扩展,而分层位置是影响其压缩失效模式较为重要的因素.对于分层位置较深的层合板,其失效模式往往为首先发生分层扩展,进而子层板剪切屈曲失效.总的分析表明,国产碳纤维复合材料与T300纤维复合材料含分层损伤层合板的压缩失效模式基本相同.      

High-velocity impact responses of 2618 aluminum plates for engine containment systems under combined actions of projectile form and oblique angle

Ballistic impact tests were carried out with examined projectiles of the Ti-6Al-4V titanium alloy to investigate the impact response of the 2618 aluminum plates at a nominal velocity of 210 m/s. The influence of projectile forms and oblique angles on damage formation was particularly discussed by applying different loading conditions such as multiple projectile forms and oblique angles. Additionally, the numerical simulation method was employed to provide further insight into the characteristics of damage and target responses. The Johnson-Cook(J-C)constitutive model with revised failure parameters was used to support the simulations to assess target responses and characteristics of the damage created from different impact conditions. Results show that there is a significant transition in the deformation mode as changes of the projectile form are applied. Moreover, the cracks on the back of the 2618 aluminum alloy plates impacted by the solid plate projectile and the hollow blade projectile tend to locate at different positions, which are supposed to be influenced by local bending and stretching. The work in this paper may provide guidance for the design of fan blade containment systems.     

复合材料整体化加筋壁板高速冲击损伤数值模拟

 以复合材料结构抗弹性能分析与设计为目的,根据纤维的线弹性假设和基体的粘弹性假设,推导了复合材料单向板的粘弹性本构关系,导出了高应变率下复合材料层板的一阶剪切理论,建立了复合材料整体化加筋壁板高速冲击有限元分析模型.该模型引入界面单元模拟复合材料层间分层以及筋条与壁板间的脱粘损伤,结合Hashin失效准则进行筋条和单层板面内损伤识别,引入材料刚度退化,采用非线性有限元方法,研究了复合材料加筋结构高速冲击的破坏过程及损伤特性.数值分析结果与实验结果吻合良好,证明了该方法的合理有效性.探讨了筋条参数对高速冲击损伤的影响规律,获得了一些有价值的结论.     

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。     

Influence of pre-tension on ballistic impact performance of multi-layer Kevlar 49 woven fabrics for gas turbine engine containment systems

In this paper, ballistic impact tests on wrapped multi-layer Kevlar 49 woven fabric systems were carried out with a flat blade projectile to investigate the impact response during a fan blade out event. The influences of the number of Kevlar layers and pre-tension were discussed particularly. Test results were used to analyze failure modes and energy absorption characteristics of multi-ply Kevlar fabrics. Results show that there are two kinds of impact damage for fabrics: global deformation mainly involving stretching of yarns in the impact region and fabric wrinkle from both sides to the impact zone, and local damage characterized by yarn fracture, yarn pull-out, and yarn unraveling. The energy absorption capability of Kevlar 49 woven fabrics improves with the number of fabric layers. The energy absorbed by multi-layer fabrics increases slightly at the beginning and then decreases substantially with pre-tension. The work in this paper can provide guidance for designing light-weight multi-layer fabrics containment systems.     

混杂纤维复合材料层板的抗弹冲击性能

为了考察混杂纤维复合材料层板的抗弹冲击性能,采用碳纤维织物或玻璃纤维织物与芳纶纤维织物复合材料层共固化的方式,利用热压罐成型工艺制备了几种具有不同面密度及铺层结构的混杂纤维复合材料层板,并进行抗弹冲击性能测试、表观形貌观察和无损检测分析。结果表明:纯芳纶纤维及混杂纤维复合材料层板的钢弹冲击破坏模式相同,均为表层剪切破坏,中间层分层破坏,背层拉伸断裂破坏;层间混杂顺序对复合材料层板的分层缺陷面积有较大影响,当碳纤维层作为背层时,层板的分层缺陷面积为12 863. 6 mm2小于玻璃纤维层作为背层时(17 400. 5 mm2);当芳纶层作为背板时,混杂纤维复合材料层板冲击后分层缺陷面积与纯芳纶的相当(14 151. 0～14 927. 0 mm2)。混杂纤维复合材料对层板的抗弹冲击性能有较大影响,混杂后复合材料的弹道极限速度(v50)均有一定程度的提高,其中玻璃纤维/芳纶复合材料的v50从纯芳纶复合材料层板的193. 08提高至204. 33 m/s。将碳纤维层或玻璃纤维层作为着弹面层的混杂纤维复合材料层板具有更优异的抗弹冲击性能,其贯穿比吸能(BPI)均优于纯芳纶复合材料层板。     

钢球对肥皂靶的撞击试验

为研究投射物对生物体的致伤效应,采用肥皂作为生物体模拟物,开展了Φ3．0mm 的钢球高速（0．96和1．88km/s）及超高速（3．52和4．98km/s）撞击肥皂靶的试验,获得了肥皂靶在钢球撞击下的损伤特征及其破坏规律。结果表明：高速试验条件下,钢球对肥皂靶的损伤主要表现为贯穿效果;超高速试验条件下,钢球撞击肥皂靶形成大尺寸半球形弹坑,其对肥皂靶的损伤表现为2个方面：一是大尺寸弹坑导致的“体积移除”,二是受超高速撞击的强烈冲击波影响,肥皂靶的破坏区域大于弹坑区域。     

航空发动机双层结构金属机匣的弹道试验

为研究航空发动机双层结构金属机匣在受叶片冲击时的包容性问题,利用滑膛炮试验系统对双层钛合金带不同间隙叠层靶板进行打靶弹道试验。通过28次有效的弹道试验发现:对比内层（迎弹面）、外层靶板厚度相同带间隙组合的试验结果,间隙越大靶板抗侵彻能力越差;对比不带间隙组合试验结果,内层较薄组合的抗侵彻能力强于内、外层厚度相同组合。采用商业有限元软件ANSYS/LS-DYNA对打靶试验进行了数值仿真,有限元仿真与试验结果吻合较好,并发现内层较薄组合的抗侵彻能力强于内层较厚组合,且两者均强于内、外层厚度相同组合;各个组合在没有间隙的情况下,弹道极限随叶片攻角增加而增加,但是速度曲线突增的攻角有所不同。无量纲靶厚决定了叶片冲击双层靶板的破坏模式。      

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。