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.     

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。      

无纺布织物涂层的吸波性能

以无纺布为基材,采用叠层式结构制备无纺布织物涂层吸波材料。用3 cm波导测量系统在9.35GHz研究复合吸波剂(羰基铁粉和乙炔炭黑)含量和叠层结构对材料吸波性能的影响。结果表明,这种以无纺布为基材的吸波材料,通过控制吸波涂层的组成和设计合理的结构,增加入射电磁波与吸波材料的作用几率,可以改进材料的吸波性能并降低材料面密度。     

G/K织物混杂增强复合材料层合板冲击损伤特性研究

采用空气炮实验装置、渗透剂增强的X射线照相法和高强光背射法对中心受到横向冲击的G／K织物混杂增强复合材料层合板的冲击损伤情况进行研究，讨论了G、K织物交替铺层时层合板的应力特征与损伤状况，分析了面、背板与芯板材质变化时层合板的应力与冲击损伤的关系、铺层角变化时层合板的损伤特征。结论强调指出，为提高复合材料层合板的抗弹能力，应采用混杂铺层、铺层角的错配方式，并避免将Kevlar作为背板使用。     

G/C纬向混杂浅交弯联三维机织复合材料的低速冲击性能

为了研究纤维混杂对三维机织复合材料低速冲击性能的影响,本文基于同一种浅交弯联三维机织结构制备成型了全碳纤维(T700)和玻璃/碳纤维(E-glass/T700)纬向混杂两种不同的复合材料。以上述两种复合材料为研究对象进行低速冲击实验,试验时设定冲击能量分别为10、23和40 J。结果表明:在不超过40 J的冲击能量下,两种复合材料均未被冲破;在三种冲击能量下,混杂材料的峰值力均小于全碳材料,其吸收能量、最大位移均大于全碳材料。在10和23 J的冲击能量下,混杂材料的损伤程度小于全碳材料;但当冲击能量达到40 J时,混杂材料的损伤程度大于全碳材料。     

混合机织复合材料刚度、强度及低速冲击性能试验研究

将二维机织碳布和单向预浸料碳布按照一定比例铺设成的混合机织复合材料兼具比刚度、比强度高、抗低速冲击损伤以及工艺性好等优点。试验测定不同比例的混合机织复合材料的面内刚度、强度,采用落锤法进行多个能量级别的低速冲击试验和准静态横向压缩试验,用超声波C-扫描法记录各试验件的内部损伤面积,并测量剩余压缩强度,分析这种混合机织复合材料在综合考虑刚度、强度以及低速冲击损伤容限等因素下的最佳铺层比例。     

薄层复合材料的抗平头冲击特性研究

采用圆柱平头型冲头(直径为25mm)在一定的冲击速度范围内冲击薄层复合材料(厚度:1.50～2.50mm),利用加速度传感器分析复合材料冲击背面的应力动态变化情况,研究了影响复合材料抗平头冲击能力的因素和复合材料的冲击损伤过程。结果表明:影响复合材料抗平头冲击能力的主要因素是纤维织物本身特性、纤维含量和界面强度;冲击能量阀值决定复合材料冲击损伤模式和能量吸收过程;增加复合材料的刚性,提高复合材料的冲击变形范围可充分发挥吸能垫的作用。     

织物细观结构参数对编织复合材料弹性性能的影响

根据作者提出的二维波纹细观力学模型,在考虑了实际织物结构中存在的经向和纬向纤维的波纹;相邻纤维束之间的间隙;纤维束的横截面尺寸和织物的叠层构造状态对编织复合材料弹性性能的影响下,给出了织物细观结构参数与编织复合材料弹性性能之间的变化关系。通过参数分析探讨了不同结构参数对编织复合材料弹性性能的影响。     

直升机在机动状态下的桨叶弹击数值模拟

为了研究直升机旋翼桨叶在机动状态下的弹击损伤，在数模模拟中，预先考虑了桨叶在机动状态下的拉力、挥舞力矩、摆振力矩对弹击损伤的影响。针对某型机旋翼桨叶，采用全尺寸有限元模型进行了弹击数值模拟分析。首先使用自编Fortran程序和VABS软件计算了桨叶剖面特性；之后建立了弹性桨叶结构载荷分析模型，采用CAMRIDII软件计算了机动状态下的桨叶载荷；在此基础上，使用NASTRAN软件对桨叶进行瞬态分析，得到桨叶施加载荷的预应力状态；再使用DYTRAN软件，基于自适应接触法，模拟桨叶弹击损伤。研究表明：桨叶结构损伤程度与弹击速度是非线性关系；除了弹击点，大梁与上下蒙皮的过渡区域是二次损伤部位；桨叶抗弹击设计需要考虑结构件之间的刚度匹配问题，以达到最佳的抗弹击吸能效果与最小损伤面积。     

芳纶／铝合金层板冲击后疲劳性能研究

对自由ＡＲＡＬＬ层板和两种预应力ＡＲＡＬＬ层板的冲击损伤机理、冲击损伤在疲劳过程中的扩展进行了表面观察与无损检测分析,建立了层板冲击后的疲劳累积损伤模型,探讨了预应力对ＡＲＡＬＬ层板冲击后疲劳性能的影响。     

机织织物剪切行为研究

 研究了平纹碳纤维机织织物的剪切行为。研究发现，织物的分阶段剪切行为与织物的细观结构有关，不同的剪切阶段具有不同的剪切机理，通过XLT-3400连续变体式显微镜和像框实验结果对不同剪切阶段的剪切机理进行了分析。通过纱线抽出实验获得了织物中纱线之间的摩擦系数,将纱线当作一个悬臂梁安装，通过此方法获得了纱线的抗弯刚度，由这两个实验导出了摩擦力矩。利用像框剪切实验以及力矩平衡，建立了平纹织物初始剪切阶段载荷 剪切角的关系模型。实验结果表明，此模型可以很好地模拟剪切角度超过0.05 rad之后的织物初始剪切行为。     

2. 5D 衍生结构SiO2 f / SiO2 复合材料的经向力学性能

以几种不同的2.5D衍生结构织物为增强体,制备了法向增强、经向增强及经法向增强2.5D Si O2f/Si O2复合材料,比较了上述材料与现有2.5D Si O2f/Si O2复合材料的经向力学性能,并研究了经法向增强2.5D结构复合材料中增强纱比例、纤维体积分数与材料性能之间的关系,对织物结构进行了优化。结果表明,经法向增强2.5D Si O2f/Si O2复合材料的经向力学性能较现有2.5D复合材料有显著提高,该材料在较低密度下(1.6 g/cm3),经向拉伸强度与现有材料(1.65 g/cm3)持平,且经向压缩强度接近现有材料的4.3倍。     

锥体冲击芳纶复合材料的损伤及其机理研究

采用锥体 (锥角为 6 0°)在 2～ 8m/s的冲击速度范围内对芳纶复合材料进行了冲击试验 ,研究了锥体冲击损伤过程、形貌及损伤机理。结果表明 :芳纶复合材料比玻纤复合材料损伤尺寸大 ;冲击速度提高 ,抗穿透能力提高 ;存在明显的裂纹诱导作用和厚度效应 ;复合材料在锥体冲击过程中吸收能量的大小取决于破坏模式     

Static mechanical properties of hybrid RTM-made composite Ⅰ-and Ⅱ-beams under three-point flexure

This paper deals with three-point flexure tests on hybrid I-and P-beams,made out of multi-layer carbon fiber/epoxy resin(including twill woven fabric CF3031/5284 and unidirectional cord fabric U3160/5284)reinforced composites,processed using the RTM(resin transfer molding)technique.Static bending properties were determined and failure initiation mechanism was deduced from experimental observations.Failure mode of the tested hybrid RTM-made I-beams can be reckoned to be characteristic of the delamination from the cutout edge within the web and the debonding propagation along the interface between the inverted triangular resin-rich zone and the adjacent curved web until local buckling within the curved webs around the conjunction fillet region.In contrast,as distinct from hybrid RTM I-beams subjected to three-point bending loading,hybrid RTM-made P-beams in three-point flexure tests experienced the resin debonding in the inverted triangular resin-rich zones and the debonding propagation along the interface between the inverted triangular resin-rich zone and the adjacent curved web until complete separation of the curved web from the flange.Progressive damage models(PDMs)were presented to predict failure loads and process of hybrid RTM-made I-and P-beams under three-point flexure.Good correlation was achieved between experimental and numerical results.     

槽间垫片功用分析及减振机理试验

针对国内高涵道比涡扇发动机风扇叶片的设计亟需,分析得到槽间垫片功用及设计要求,并通过机理试验揭示了槽间垫片减振机理。研究结果表明:在常规简谐激励作用于风扇叶片时,槽间垫片并不能提供有效阻尼,无法起到减振作用。在高能冲击载荷作用于风扇叶片时,槽间垫片可以起到较好的阻尼作用,快速地衰减自由振动,降低疲劳损伤积累。金属橡胶或橡胶槽间垫片能使叶片的冲击响应时间减少50%以上。槽间垫片应设计足够大的预紧力以实现叶片稳定的径向定位,降低风扇叶片在风车状态时的晃动幅值,减小榫头榫槽接触磨损;应具备足够大的柔度,确保高能冲击载荷下允许叶片偏摆一定的角度,通过垫片变形吸收冲击能量,从而降低叶片根部应力峰值。      

复合材料层板冲击损伤特性及冲击后压缩强度研究

对两种材料体系(T300/QY8911和T300/5405)/铺层的复合材料层板进行三种支持条件(冲击点无支持、梁凸缘或长桁凸缘支持和肋凸缘支持)、六种冲击能量等级的冲击损伤特性及冲击后压缩强度试验研究。讨论了冲击能量、支持条件等与冲击损伤特性和剩余压缩强度的关系,研究结果表明,冲击表面凹坑深度和冲击损伤面积可用于表征复合材料冲击损伤,而基体裂纹长度不可以用于表征冲击损伤。且随着冲击点背面支持刚度的增加,冲击所造成的损伤随之减小。随着冲击能量的增加,冲击后压缩强度随之减小。在相同的冲击能量作用下,随着冲击点背面支持刚度的增加,冲击后压缩强度也随之增加。     

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。     

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.     

斜纹机织热塑性复合材料低速冲击损伤及多尺度数值模拟研究

机织复合材料在服役过程中不可避免地遭受低速冲击而引起内部损伤，导致材料性能减退。本文以斜纹机织热塑性复合材料为研究对象，通过实验与模拟相结合的方法研究其在低速冲击下的损伤行为。构建了微观、介观和宏观串行的多尺度模型对斜纹机织热塑性复合材料低速冲击损伤行为进行预测，并在5J和10 J的冲击能量下，对其进行低速冲击试验以验证该多尺度模型的正确性。结果表明，微观、介观和宏观串行的多尺度模型能够准确地预测出斜纹机织热塑性复合材料的冲击损伤特性；在较大的冲击能量下，材料正面和背面均出现了损伤，且损伤以纤维断裂为主；低速冲击数值模拟所预测的力响应曲线与试验结果表现出良好的一致性，数值模拟损伤面积的误差在10%以内。     

混合机织复合材料低速冲击损伤有限元分析

将二维机织碳布和单向碳布预浸料按照一定比例铺设成的混合机织复合材料兼具比刚度、比强度高、抗低速冲击损伤以及工艺性好等优点.采用基于三维非协调层合元的动力学有限元分析方法,对由二维机织缎纹碳布和单向碳布混合铺设而成的复合材料层合板进行了低速冲击有限元计算分析.针对二维机织碳布的特殊力学性质,提出了修正的分层扩展判据,建立了低速冲击损伤面积的分析方法.在不同冲击能量下,针对不同铺层结构和厚度的计算结果与试验结果皆吻合的很好.分析结果表明,由于分层破坏机理不同,加入机织铺层后能够有效降低低速冲击导致的分层损伤.