Study on ballistic penetration resistance of titanium alloy TC4, Part II: Numerical analysis

Enhancing containment capability and reducing weight are always great concerns in the design of casings. Ballistic tests can help to mitigate a catastrophic event after a blade out, yet taking time and costing money. A wise way is to hunt for a validated numerical simulation technology, through which the material dynamic behavior over the strain rate range in the ballistic tests should be represented and reasonable failure strain should be defined. The simulation results show that the validation of the numerical simulation technology based on the test data can accurately estimate the absorption energy, describe the physical process and failure mode during the penetration, as well as the failure mechanism. It is found that energy dissipation of projectiles is in manner of compression stage, energy conversion stage, and interactive scrap stage. An effect indicator is proposed, where the factors of critical velocity including impact orientation and mass of projectiles and thickness of casings are considered. The critical velocity presents a linear relation with the effect indicator, which implies the critical velocity obtained by the flat casing could underestimate the capability of the real casing.     

面向包容性的航空发动机机匣研究综述

机匣作为航空发动机的关键部件,其包容性能是保障飞行安全的必要条件。针对机匣包容性问题,首先,简要介绍涉及包容性的机匣类别和结构形式;其次,从理论研究、仿真分析及试验测试等方面概述机匣的冲击响应、损伤机理和包容性能等,简述机匣包容性试验方法及试验研究进展,按机匣材料类别对包容性数值仿真研究分类介绍;最后,总结机匣包容性研究状况并从机匣工作条件、受载情况和优化设计角度对机匣包容性研究进行展望。     

多层机匣的包容性数值仿真研究

采用瞬态非线性有限元分析方法对多层机匣的包容性进行了数值仿真研究,对比分析了不同层数机匣在相同撞击条件下的位移、塑性应变和能量的变化,以及同层数机匣有间隙与无间隙时的包容情况。仿真结果表明：同厚度的不同层数机匣,层数越多包容效果越好;对于同层数机匣,层间无间隙机匣的包容效果优于有间隙机匣的。     

Failure mechanisms of bolted flanges in aero-engine casings subjected to impact loading

In this paper, a failure evaluation criterion was proposed for the bolted casing-flange structure under impact loading. Subsequently, ballistic tests with eighteen bolted casing-flange structure specimens were conducted to validate the failure evaluation criterion. Parameter studies were then carried out using the validated FE models. Both the experimental and numerical results demonstrated the accuracy of the failure evaluation criterion. The failure evaluation criterion provided a quick and easy way to determine the failure mode of the casing connection area by using the materials and dimensions of the structure. Based on the failure evaluation criterion, designing the structural failure mode of the bolted casing-flange structure to be between flange failure and bolt failure can improve the impact resistance of the connection area of the aero-engine casings. This investigation revealed that the impact failure is not the unique criterion in evaluating the containment of the casing connection area, structural failure should also be involved in the evaluation criteria.     

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。     

Study on Titanium Alloy TC4 Ballistic Penetration Resistance Part I:Ballistic Impact Tests

Ballistic impact test of different-scale casings is an efficient way to demonstrate the casing containment capability at the preliminary design stage of the engine. For the sake of studying the titanium alloy TC4 casing performance, the ballistic tests of flat and curved simulation casing are implemented by using two flat blades of different sizes as the projectile. The impact mechanism and failure of the target are discussed. Impact of the projectile is a highly nonlinear transient process with the large deformation of the target. On the impact, failures of the flat casing and the subscale casing are similar, concluding two parts, the global dishing and localized ductile tearing. The main localized failure mode combines plugging (shear) and petaling (shear) if the projectile perforates or penetrates, while crater (shear) if the projectile rebounds. The ballistic limit equation is verified by the test data and the results show that this empirical equation could be a practical way to estimate the critical velocity.     

非轴对称尖部间隙对轴流压气机性能影响的实验研究

在实际的压气机中,转子尖部间隙总是不同程度地存在着非轴对称性。针对非轴对称尖部间隙对压气机性能的影响,本文设计了一系列结构,在一台亚音速单、双级轴流压气机实验台上对其孤立转子进行了实验研究,分析和比较了各种结构形式对压气机性能的影响。实验表明,非轴对称尖部间隙的存在,将使压气机的稳态和过失速性能下降。      

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.      

轴向位置变化对槽式机匣扩稳效果的影响

采用试验与数值手段研究周向槽处理机匣轴向位置对压气机性能的影响,在一亚声速转子上进行三种不同轴向位置的周向槽处理机匣试验.试验结果表明三个轴向位置的机匣处理均扩宽压气机的稳定工作范围,轴向位置不变时扩稳效果最好,轴向位置前移次之.数值计算所获得的裕度改进量变化趋势与实验的符合良好.通过详细地分析处理机匣轴向位置变化对压气机顶部区域流场结构的影响,揭示了周向槽处理机匣轴向位置对压气机性能影响的流动机理.      

轴向倾斜缝机匣处理影响压气机性能的机理

为了揭示缝式机匣处理影响轴流压气机性能的流动机理,对带轴向倾斜缝机匣处理的轴流压气机转子进行全三维非定常数值模拟,试验与数值结果均表明机匣处理在有效地扩大压气机稳定工作范围的同时,也使压气机等熵效率减少。通过详细地分析压气机内部流场,揭示了该机匣处理对该压气机转子性能及流场影响的机理,即倾斜缝内的回流具有抽吸或吹除端部低能流体的能力,在倾斜缝中形成的喷射流的作用下,叶顶通道内的低速气团得到了有利的激励,从而推迟转子的失速。但也使转子叶顶加功量下降,同时缝内的回流及其与叶顶主流的相互作用带来大的流动损失,最终降低压气机转子等熵效率。     

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。     

带有安装边螺栓连接结构的机匣包容能力研究

为了研究带有安装边螺栓连接结构的机匣对断裂叶片的包容能力,截取环形机匣中的安装边螺栓连接结构,开展有限元仿真和冲击试验。首先,使用LS-DYNA软件建立有限元模型,研究撞击角度、撞击位置、定距套和止口对机匣安装边螺栓连接结构抗冲击能力的影响。仿真结果表明：撞击位置、撞击角度、定距套和止口都对结构的抗冲击能力有显著的影响,当叶片撞击在单侧机匣的安装边位置时结构的抗冲击能力最弱,定距套和合理的止口设计都能够有效提高结构的抗冲击能力。然后,通过机匣安装边螺栓连接结构的抗冲击试验,验证了数值仿真方法的准确性和可靠性,为数值仿真结论的有效性提供了依据。最后,通过数值仿真分析了螺栓断裂过程,并结合试验分析揭示了螺栓发生剪切断裂和拉伸断裂的原因。     

缝式处理机匣轴向位置对压气机特性影响的机理研究

文中对轴向倾斜缝处理机匣轴向位置的改变如何影响轴流压气机性能进行研究。试验与数值结果均表明三个轴向位置的机匣处理均扩宽压气机的稳定工作范围,轴向位置不变时扩稳效果最好,轴向位置后移的最差。同时轴向位置前移或后移使压气机等熵效率损害程度降低。通过详细地分析压气机内部流场表明：机匣处理轴向位置后移使叶顶机匣约1/3的轴向弦长宽度无机匣处理,因此不能抑制叶顶泄漏流的发展,后移处理机匣缝的抽吸能力弱,致使扩稳效果差;与处理机匣轴向位置未变的比较,轴向位置前移或后移能够减少了间隙流及二次流带来的流动损失,并使叶顶加功量上升,使压气机转子等熵效率提高。     

缝式处理机匣轴向位置对压气机特性影响的机理

对轴向倾斜缝处理机匣轴向位置的改变如何影响轴流压气机性能进行了研究.试验与数值结果均表明三个轴向位置的处理机匣均扩宽压气机的稳定工作范围,轴向位置不变时扩稳效果最好,轴向位置后移时效果最差.同时轴向位置前移或后移使压气机等熵效率损害程度降低.通过详细地分析压气机内部流场表明:处理机匣轴向位置后移使叶顶机匣约1/3的轴向...     

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.     

缝式机匣处理对对转压气机的扩稳机理

为探索缝式机匣处理在对转压气机中的适用性，采用数值模拟的方法研究了缝式机匣处理对对转压气机气动性能和稳定裕度的影响。通过分析缝式机匣处理对压气机总体性能和叶尖流场的影响，以揭示缝式机匣处理在对转压气机中的扩稳机理。研究表明：缝式机匣处理可以提高对转压气机的失速裕度，机匣处理的轴向位置对对转压气机的气动性能和失速裕度有显著的影响。随着机匣处理的前移，对转压气机峰值效率的亏损逐渐减小，而失速裕度改善程度相差不大。机匣处理缝的抽吸和射流效应减弱了转子R2叶顶通道的堵塞程度，通过抑制叶尖泄漏流和二次泄漏流的发展以推迟失速的发生，进而实现扩稳。此外，缝式机匣处理时可能改变该对转压气机的最先失速级，同时也证明了缝式机匣处理在变工况下扩稳的有效性。     

4 种不同型式机匣处理的实验研究及机理分析

利用一个亚音单级轴流压气机的孤立转子,实验研究了周向槽式、缝式、斜沟槽式及凹槽叶片式4种型式的机匣处理,详细对比了它们的若干形式对转子裕度、峰值效率及失速点效率的影响,并针对实验结果阐述了各自作用的机理,总结了许多对工程设计有参考价值的结论。     

骨架式压气机机匣仿真计算分析

为了实现通过改变压气机机匣材料、结构形式和加工手段,达到减轻压气机机匣质量的目标,依照骨架式结构设计思想,对某型压气机的机匣进行了骨架式结构的改进设计,即"桁架"式结构机匣,并针对这3种典型的结构机匣分别从静强度、模态和包容特性等角度进行了仿真计算和对比分析,得到了现阶段最优方案为圆形开孔机匣。结果表明:该类骨架结构可以实现在不影响机匣使用要求的前提下,将压气机机匣质量减轻10%~20%,有效提高发动机推重比。     

对转压气机中自循环机匣处理扩稳机理的研究

为拓宽自循环机匣处理的适用范围,以对转压气机为研究对象,采用数值方法研究了自循环机匣处理的扩稳机理和轴向喷气位置对其扩稳能力的影响,详细分析了自循环机匣处理前后对转压气机的总体特性和转子叶尖流场的变化.结果表明:对最先失速的转子配置自循环机匣处理可以获得可观的裕度改善,但轴向喷气位置对扩稳效果和压气机的气动性能均有显著...     

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。