双层金属平板模拟机匣抗冲击性研究

采用LS-Dyna软件分析了双层平板模拟机匣的抗冲击性能,讨论了层间距和厚度分配对双层平板模拟机匣抗冲击性能的影响。研究结果表明：在叶片正撞击时,双层模拟机匣的损伤为局部剪切和整体塑性变形的混合型。层间距只影响外层板吸收的能量,随着层间距的变化,双层平板吸收能量没有一定规律。厚度分配比小于1时,双层板的抗冲击性能随着厚度分配比的减小而增强;厚度分配比大于1时,双层板的抗冲击性能随着厚度分配比的增大而增强。     

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。     

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。      

靶板击穿极限速度的数值模拟分析与试验验证

利用工程有限元软件MSC.Dytran,对钢球冲击LY12铝合金靶板时的击穿极限速度进行了数值模拟研究.分析了接触力比例因子、模型的有限元网格密度及靶板材料参数估计误差对模拟结果的影响.对照试验结果,发现数值模拟得出的弹体冲击靶板的现象及击穿极限速度与试验结果基本吻合.说明用MSC.Dytran进行数值模拟,能够为结构的抗弹体冲击强度分析提供指导性意见.     

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.      

平板条叶片撞击靶板的数值仿真研究

建立有限元模型,对平板条叶片以不同角度和初始速度撞击矩形靶板的过程进行了数值模拟。分析了撞击过程中叶片与靶板的变形以及能量变化情况,以及撞击角度的影响,得到了撞击过程中平板条和靶板的变形及能量变化规律。模拟结果表明,撞击角度对靶板被击穿时的临界速度有着显著影响,角度越小,临界速度越大;靶板刚好被击穿时,靶板吸收的形变能出现局部峰值。     

双层陶瓷复合靶板抗弹性的研究

 基于小型穿甲弹垂直侵彻陶瓷 /铝合金薄板动力响应理论模型,分两种情况对靶板的优化配置进行了讨论。一种情况是在给定靶板面密度条件下,模拟了弹道极限速度随优化系数的变化曲线;另一种情况是在给定弹道极限速度条件下,模拟了面密度随优化系数的变化曲线,给出了不同靶板的最适优化系数,并通过试验加以验证,计算结果与试验结果的一致性较好。     

镍基合金薄板不同温度下的弹道冲击行为

为研究航空发动机机匣在高温下的包容性能力,通过实验和数值模拟研究25℃和600℃下GH4169合金薄板受球型子弹冲击后的变形行为。弹道冲击实验通过轻气炮实施,子弹以不同初始速率冲击靶板。分析温度和冲击速率对靶板的变形、临界击穿速率、破坏变形模式以及能量吸收的影响。结果表明:高温下靶板的变形更大,靶板被击穿所吸收的能量更小,临界击穿速率更小;高温下靶板被穿透后由弯曲作用引起的花瓣状变形更明显。数值模拟研究通过有限元软件LS-DYNA实施,数值模拟中选用Johnson-Cook本构模型。采用高温分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术对GH4169高温合金进行测试,获得了材料在高温高应变率下的力学特性并拟合了Johnson-Cook本构模型参数。数值模拟研究的结果和实验结果进行了对比,显示了良好的一致性。     

混凝土房屋结构靶的超高速撞击特性研究

为了研究动能武器对混凝土类目标的毁伤效果,采用试验和数值仿真手段,对钨合金弹丸超高速撞击混凝土房屋结构靶进行了研究,探讨了混凝土房屋结构靶在超高速撞击条件下的毁伤特点。试验所用的钨合金弹丸重35g,长径比为5,撞击速度2．5km/s;混凝土房屋结构靶抗压强度34．4MPa。研究发现：在开展的试验条件下,房屋结构靶顶层板和底层板被穿透,未发生解体破坏;靶体中加筋对靶体的穿孔大小及结构破坏没有明显的降低作用;速度2．5km/s的弹丸经撞击40mm厚混凝土板后的速度降到2．0～2．3km/s 范围内;弹丸超高速撞击混凝土房屋结构顶层板形成的碎片云速度较高,部分碎片对人员具有较强的杀伤效果,该部分碎片的扩张角为23＆#176;,在底层板上的分布范围大于穿孔大小。     

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.     

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。     

弹头形态对点阵金属陶瓷夹层结构侵彻效能的影响

提出了一种由金字塔型点阵金属骨架、陶瓷棒、环氧树脂胶结剂、金属面板及背板所组成的复合材料结构模型。基于有限元法,在实验验证数值方法有效性的基础上,模拟研究了该型复合结构对三类钢制弹丸(平头、球头和锥头)的抗侵彻机制。对比分析了弹靶模型各子结构的失效模式、吸能效率、弹丸的塑性变形、弹道特性、速度及加速度等变化规律。结果表明:弹头形态对复合靶板的破坏形态和吸能特性有较大影响,平头弹丸和球头弹丸对靶板主要产生冲塞破坏,达到峰值加速度的时间较短;而锥头弹丸主要表现为刺穿扩孔型破坏,达到峰值加速度的时间较长,侵彻效能最高。在弹体高速侵彻靶板的过程中,由于金属骨架的剪切扩孔和塑性变形、陶瓷棒的断裂破坏以及金属面板与背板的塑性变形,使得该型防护结构的抗侵彻能力得到了显著提高。     

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.     

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。     

玻璃纤维增强铝合金层板高速冲击损伤容限

为研究玻璃纤维增强铝合金（GLARE）层板高速冲击损伤容限,对单次、多次冲击载荷下GLARE层板的损伤特性进行了高速冲击试验和数值仿真研究。采用一级气体炮,在GLARE层板靶板的中心位置、边位置、角位置进行弹道冲击试验,获取弹道极限和损伤模式,然后结合数值仿真剖析动态响应特性。结果表明,弹道冲击条件下,GLARE层板主要通过塑性变形、金属层裂纹、脱胶、复合材料纤维脆断等损伤模式吸收冲击能量。边界约束效应对GLARE层板冲击损伤特性具有显著影响,主要表现在：约束效应导致不同位置冲击下GLARE层板损伤模式不同,包括成坑、金属裂纹和冲塞等特征;角位置冲击条件下,GLARE层板的弹道极限速度明显低于中心位置冲击结果;重复冲击条件下,角位置比与边位置和中心位置更容易发生穿透。     

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.     

冲击双层壁内通道表面换热系数的研究

为了研究双层壁内通道表面换热情况和冲击距离对换热影响,对双层壁结构内通道上、下表面的换热系数进行实验测量。由获得的换热系数来分析研究双层壁内部换热。并对冲击射流的机理作了分析。研究结果表明,在双层壁结构中,在高雷诺数时,在冲击板表面上会出现两个峰值;在进气板表面上也会出现位置随冲击高度变化的一高换热区;层板内通道表面上的换热系数随冲击距离的减小而增大。