连续纤维增强钛基复合材料整体叶环的超声检测试验研究

本文结合连续纤维增强钛基复合材料（TMCs）整体叶环的制备工艺和结构特点,重点分析了TMCs整体叶环内部质量的超声检测难点,并通过对特定尺寸TMCs整体叶环的超声检测试验及解剖对应分析,确定了纤维碎断、纤维束开裂、纤维屈曲、纤维挤出及焊缝处开裂（未焊合）等可能存在的主要缺陷类型及超声回波信号特征。试验结果表明,基于适当的超声检测工艺参数对TMCs整体叶环的内部质量进行检测,检测灵敏度可达Φ0.8 mm当量平底孔。     

连续纤维增强整体叶环结构方案优化设计

为设计出更轻质高强度的轮盘,提高航空发动机推重比,基于ANSYS优化平台,提出并建立整体叶环子午面结构参数化模型,筛选子午面主要结构优化设计变量,在金属盘结构设计准则应力标准基础上,提出并建立纤维增强整体叶环轻量化结构优化设计数学模型。扩展并建立复合材料轮环结构优化设计约束条件。借助轮环结构优化数学模型及ANSYS优化方法,通过典型纤维增强整体叶环结构优化设计,得到满足所有强度约束条件下的轻量化轮环结构,钛基SiC纤维在增强整体叶环结构的同时可以减少39.92%的质量,表明纤维增强整体叶环设计技术在叶环结构减重方面具有明显优越性,表明纤维增强整体叶环结构方案设计方法的有效性。     

纤维增强钛基复合材料横向拉伸性能数值模拟

为研究SiC/Ti-6AL-4V纤维增强钛基复合材料在横向拉伸载荷下的力学特性,建立了三维细观有限元模型;利用ANSYS软件接触单元和内聚力材料模型,对其制备残余热应力及横向拉伸载荷下的界面脱粘、基体失效进行了数值模拟。结果表明:考虑界面材料属性的细观力学有限元单胞模型,可较好地模拟纤维增强钛基复合材料在横向拉伸载荷下的界面脱粘、基体失效;横向拉伸载荷下,复合材料基体细观结构内部应力分布不均导致基体材料利用率下降,是造成复合材料横向强度低于基体材料强度的主要原因。     

纤维增强钛基复合材料整体叶环设计技术

新材料和新结构的开发使用是航空发动机减重的一个主要技术途径,纤维增强钛基复合材料制备的整体叶环结构具有明显的减重优势。以Si C(f)/TA12整体叶环试验件为例,分别从结构、强度、工艺等方面阐述了整体叶环设计技术。利用ANSYS有限元软件进行数值模拟,并采用最大应力准则和平均周向应力准则评估了整体叶环试验件的破裂转速。通过旋转试验初步验证了整体叶环的减重效果和强度计算方法,并对今后的研究方向进行了展望。     

电子束焊接整体叶盘结构验证件设计和试验研究

设计了TC11材料电子束焊接接头圆棒试样,提出了先拼焊叶环扇块、再对焊叶环与轮盘的整体叶盘结构验证件技术方案,设计和加工了电子束焊接整体叶盘结构验证件.进行了TC11材料电子束焊接试样和母材试样力学性能对比试验,并完成了电子束焊接整体叶盘结构件的应变测量和低循环疲劳试验研究.     

SiC纤维增强整体叶环破裂转速研究

为研究航空发动机SiC纤维增强钛合金整体叶环的强度,采用有限元法计算了整体叶环子午截面的周向应力分布,分析了其承载模式和理论破裂转速,然后通过高速旋转台试验测定了整体叶环的实际破裂转速。研究结果表明,以复合材料的局部最大周向应力计算的整体叶环的破裂转速与实际测试结果最为接近。叶环残骸断口SEM照片显示,超速旋转过程中首先发生了SiC纤维丝与钛合金基体的界面分脱,随后纤维丝被拉断导致复合材料承载能力下降,最终引起整体叶环的破裂。     

纤维增强整体叶环/盘强度问题分析

为了尽可能全面剖析纤维增强整体叶环(简称叶环)的优点和结构强度问题,明确纤维增强叶环转子强度优化问题及加工制造要求,利用ANSYS有限元软件,在分析典型纤维增强叶环和特殊纤维增强整体叶盘(简称叶盘)结构的受力特性基础上,结合前期对纤维增强叶环/盘特性的认识了解,提出了纤维增强叶环/盘结构在设计使用中出现的减质、寿命、刚度和热变形不协调等结构强度问题,并分析了这些问题产生的机理,可供纤维增强转子结构设计、加工、试验和检查时参考。     

高可靠度TC17基复合材料叶环破裂转速预测技术研究

为了建立安全可靠预测TC17基复合材料叶环破裂转速的方法,尽快实现其工程应用,开展了SiC连续纤维增强TC17基复合材料叶环结构破裂转速预测技术研究。测定了复合材料叶环成型过程所导致的TC17基体力学性能变化规律,仿真分析了由于热不匹配导致的热残余应力对复合材料叶环强度的影响。考虑复合材料试棒和叶环结构的差异,建立了基于复合材料试棒拉伸强度极限的高可靠度复合材料叶环破裂转速预估准则。完成了复合材料叶环强度试验件设计、制备和试验验证,并对试验件进行了断口分析。结果表明：复合材料叶环成型后,TC17基体合金本构模型将发生改变,其屈服和拉伸强度都有较大程度的下降,强度分析时应予以考虑。复合材料叶环成型工艺所导致的叶环热残余应力使得复合材料增强芯的同一半径处的周向应力沿轴向产生了梯度,其周向和径向最大应力均有明显降低,还导致叶环残余变形最大位置发生了变化。在旋转试验过程中,应变实测值与仿真结果相近。断口分析结果证明本文研究的复合材料叶环结构实际破裂模式为周向破裂,与所建立的仿真方法和评估准则预测的破裂模式一致,且破裂转速的预测精度较高,并保证了设计的安全性,可满足工程应用需求。     

连续纤维增强钛基复合材料整体叶环设计与分析

为适应未来高推重比航空发动机研制的需要,研究了国内外连续纤维增强钛基复合材料及其结构件的制备工艺特点,以及压气机连续纤维增强钛基复合材料整体叶环的设计和试验情况。以某压气机转子级为对象,开展了整体叶环设计和分析研究,提出了不同结构形式整体叶环设计方案,并从应力、重量、制造可行性和经济性等方面对不同结构设计方案进行了对比分析,结果表明:装配结构复合材料整体叶环应力水平低,制造可行性好,经济性好,并在一定程度上避免了径向载荷作用下的界面失效问题,值得深入研究。     

航空用不锈钢磨粒流光整加工表面完整性研究

为研究磨粒流光整加工不锈钢闭式整体叶环的表面完整性，通过对电火花制备的不锈钢试样进行加工时间、加工压强及磨料目数的单因素试验，研究3个因素对加工后表面完整性的影响。结果表明：表面粗糙度Ra随着加工时间的增加而降低，从初始时的1.459μm降至60 min时的0.193μm，降低速率越来越慢，最后趋于稳定。磨粒流加工有效去除了加工表面再铸层。显微硬度在加工后明显降低，由450～950 HV降至270～350 HV且分布均匀性得到改善。显微硬度随着加工时间的增加整体上呈降低趋势，并出现了一定的加工硬化现象。在使用不同目数的磨料进行磨粒流加工后，残余应力由拉应力变为压应力。随着加工时间和加工压强的增加，试样表面越平整，抛光效果越好。