不同形状砂尘高速冲蚀TC4平板的数值仿真

含有砂尘的空气吸入发动机,会与压气机转子叶片以较高的相对速度发生碰撞,产生砂尘冲蚀现象,严重影响到飞行器飞行安全。通过采用能较好适应大变形的光滑粒子流体动力学(SPH)方法和有限元(FE)耦合的方法,建立不同形状砂尘冲蚀TC4平板模型,研究TC4平板表面受砂尘高速冲蚀的典型损伤形式及其规律。结果表明:砂尘尖角越小,冲击产生的弹坑越深,所造成的损伤也越大;随砂尘逐颗撞击平板,弹坑的深度变化越来越小,表现为平板表面的塑性硬化过程;在砂尘连续冲击下,受到冲击角的影响,损伤处的堆积物可能被砂尘冲脱平板,也可能被重新压回弹坑。      

TC4钛合金与多层TiN/Ti涂层的砂尘冲蚀损伤试验

建了砂尘冲蚀试验系统,采用粒子成像测速方法获得了气体压力和砂尘速度之间的关系,并在砂尘质量浓度为28.91g/m3,速度为80m/s,冲蚀角度为30°的条件下,对TC4钛合金和多层TiN/Ti涂层进行了冲蚀试验.结果表明:TC4钛合金抗冲蚀损伤能力较差,平均质量损失率达0.7mg/min.多层TiN/Ti涂层可承受砂尘冲蚀200min以上,且TiN/Ti调制比为1:3涂层的抗冲蚀能力优于调制比为1:1的涂层.砂尘粒子垂直冲击速度分量引起的微区剥落是涂层冲蚀损伤的主要原因,增加多层涂层韧性是提高其抗冲蚀性能的关键.      

TiN/Ti强韧涂层在砂尘高速冲蚀下的失效机理

利用高速连续冲蚀试验系统,在不同的冲击角及供砂量下,对有无TiN/Ti强韧涂层的不锈钢试件进行了砂尘高速冲蚀试验,获得了试件的质量冲蚀率。采用扫描电镜(SEM)对涂层损伤表面及断面形貌进行观测与分析,研究TiN/Ti涂层在不同冲击条件下的失效机理。结果表明:TiN/Ti涂层质量冲蚀率随冲击角及供砂量的增加而增加。在低冲击角下,砂尘粒子的切削作用是导致涂层材料剥落的主要原因;高冲击角下,砂尘冲击引起的裂纹萌生及扩展致使涂层材料块状破碎而剥落。TiN/Ti涂层显著提高了不锈钢的抗冲蚀性能,尤其是在低冲击角下。低冲击角下,涂层能将不锈钢的冲蚀性能提高约5倍;高冲击角下能提高约2倍。      

考虑沙尘颗粒冲蚀损伤的航空叶片寿命预估

在沙漠环境下,当航空发动机叶片和直升机桨叶在高速运行时,会吸入沙尘微粒使其撞击在发动机叶片或其他部位,造成冲蚀损伤。在循环载荷的作用下,冲蚀坑处往往形成疲劳源,会对材料的疲劳特性造成很大影响。本文基于连续损伤力学理论,建立了考虑沙尘颗粒冲蚀损伤钛合金叶片的疲劳寿命预测方法。首先,基于有限元显式计算,模拟沙尘颗粒冲击钛合金叶片,分析了冲蚀坑、残余应力、残余应变以及初始塑性损伤;其次,推导了疲劳损伤模型,以及相应的损伤力学数值算法;再次,编写VUMAT子程序,采用数值解法,对含冲蚀损伤的钛合金叶片进行寿命预估,最后,深入分析了不同冲蚀情况下,钛合金叶片的疲劳损伤及疲劳寿命。计算结果表明,冲击速度越大,轴向残余应力越大,材料的损伤速率越快;冲击角度越大,冲击凹坑深度越浅,叶片的疲劳寿命越高。该研究为发动机叶片在沙尘颗粒冲蚀影响下的疲劳损伤评定提供一种可行方法。     

可磨耗封严涂层的冲蚀磨损特性及模型

抗冲蚀性是可磨耗封严涂层最重要的性能。在自制的真空自由落砂试样旋转式冲蚀磨损试验机上对几种中温封严涂层的冲蚀磨损特性及机理进行了研究。实验结果表明,冲蚀失重与冲蚀时间具有良好的线性关系;在60°时冲蚀率最大;冲蚀率与冲蚀速度有幂函数关系,速度指数随冲蚀角度增大而增大;90°冲蚀时,涂层的冲蚀机理为冲击粒子在涂层表面冲击挤压,产生凹坑和凹坑边缘凸起的唇片,随后的冲蚀使唇片流失;粒子的不断冲击使表层金属相松动,导致呈颗粒状剥落。30°冲蚀时涂层的冲蚀机理为切削、犁削并有孔洞、非金属相贯通效应。在此基础上提出了封严涂层的冲蚀磨损模型。     

粒子分离器砂尘分离效率试验参数影响分析

砂尘试验是评估和验证粒子分离器砂尘分离能力的核心方法,砂尘分离效率试验结果除受试验器测试精度影响,还与 砂尘投放方式直接相关。为了摸清某粒子分离器砂尘分离效率的试验影响因素,结合流动机理分析、CFD仿真和试验方法,分别 针对粒子分离器进口粒子分布均匀性、砂尘浓度和喷砂速度3种因素对砂尘分离效率的影响进行了分析。结果表明：粒子分离器 进口砂尘分布均匀性是影响砂尘试验结果的主要因素,在给定浓度分布模型下,进口砂尘非均匀分布比非均匀分布砂尘分离效率 降低接近7%;进口砂尘浓度在2000 mg/m3范围内变化不会对分离效率试验结果产生显著影响;喷砂速度增大,大粒径粒子受壁面 反弹影响,使粒子分离器总分离效率呈下降低趋势。     

基于微观结构的热障涂层冲蚀机理数值分析

冲蚀对热障涂层寿命和可靠性会造成严重影响,为深入研究热障涂层冲蚀失效机理,建立了等离子喷涂和电子束物理气相沉积两种热障涂层典型微观结构有限元模型,同时采用LS-DYNA软件模拟了热障涂层冲蚀失效过程。分析了不同微观结构对热障涂层冲蚀失效机理的影响,研究了冲蚀粒子的速度、角度和直径对冲蚀率的影响。结果表明:微观结构对冲蚀机理有极其重要的影响,无因次冲蚀率随冲蚀粒子的速度、角度和直径的增大而增大。此数值模拟方法可为进一步研究热障涂层的抗冲蚀性能提供参考。     

不同金属硬物冲击航空发动机叶片损伤研究

为分析不同金属硬物对航空发动机风扇叶片造成的外物损伤特征差异,选取钢、铜、铝、铅四种材料弹珠作为外来物,以两种角度、多种速度冲击真实叶片进气边缘进行高速弹道冲击试验,并采用数值方法仿真动态损伤过程。结果表明:钢、铜珠冲击时,叶片损伤形貌可分为凹坑、撕裂和缺口,产生撕裂形貌时,小角度相比于大角度冲击需要更高的冲击速度,铜珠相比于钢珠冲击需要更高的速度;铝、铅珠因冲击时自身变形较大,对叶片只能造成挤压变形。仿真结果表明:在22 J冲击能量条件下,铜珠、钢珠造成叶片撕裂损伤的过程中存在两个显著的接触力峰值,且伴随着“动能回升”现象;铜珠动能较多地转化为叶片和自身的应变能,因而对叶片的侵彻能力不如钢珠;铝珠冲击力峰值最大,其动能转化为自身应变能的比例最高;铅珠冲击力峰值不明显,其动能大部分转化为摩擦耗散的热量。     

含低速冲击损伤层合板的压缩破坏研究

层合板低速冲击后的压缩破坏研究对于复合材料结构设计具有重要意义.按照ASTM D 7136、D 7137试验标准对CCF300/5228层合板进行低速冲击和压缩试验;基于累积损伤理论,以低速冲击数值仿真得到的损伤作为初始损伤,结合应变失效准则和材料性能退化方法,建立含低速冲击损伤层合板的压缩破坏分析模型;使用该模型研究CCF300/5228层合板的损伤演化过程和剩余压缩强度.结果表明：该模型能够较好地解释试验过程中的损伤现象,预测含冲击损伤层合板的剩余压缩强度;损伤扩展和破坏模式与试验结果一致性好.     

航空发动机压气机叶片砂尘冲蚀防护涂层关键问题综述

军用直升机和运输机沙漠作战时,砂尘被高速吸入发动机导致压气机叶片外形和结构完整性遭到破坏,严重影响作战性能和耐久性。涂层是提高压气机叶片抗砂尘冲蚀能力的有效措施,但涂层的防护能力与涂层的服役环境、材料体系、结构成份、制备技术以及考核体系等密切相关。结合美军在西亚沙漠作战直升机压气机受损严重的问题,从涂层设计指导性、制备技术可实现性以及试验考核体系的完备有效性三方面综述和对比国内外抗冲蚀涂层研究发展情况,重点分析涂层环境适应性、材料和结构强韧性、制备方法以及考核体系中的影响涂层防护能力的关键问题,深入剖析我国存在的主要差距和原因。分析表明:机理研究不深入、涂层结构与性能设计研究亟待加强、考核手段不完备、研究系统性不强是制约我国抗冲蚀涂层向应用转化的关键,本文对梳理抗冲蚀涂层领域的发展方向具有十分重要的指导意义。     

固体火箭冲压发动机补燃室绝热层烧蚀试验方法

基于自主研发的氧-煤油烧蚀试验系统,发展了一种用于固体火箭冲压发动机补燃室热结构及材料烧蚀研究的试验方法。采用该方法开展了某型室温硫化硅橡胶基绝热材料的烧蚀试验,试验分别在含氧化铝粒子侵蚀和无粒子侵蚀条件下进行,并根据SEM图对比分析了粒子对材料表面微观形貌的侵蚀效应。结果表明:无粒子侵蚀条件下的试样经烧蚀后膨胀并分层,其平均线烧蚀率为-0.025mm/s;而粒子侵蚀条件下的试样平均线烧蚀率为1.901mm/s,试样中心区域的陶瓷层被粒子完全破坏,只留下极薄的热解层和裸露的碳纤维端部,碳纤维周围的基体主胶、颗粒填料及芳纶纤维均被高速焰流氧化剥离,充分说明粒子对绝热层材料的强剥蚀破坏效应;同时也验证了该方法能较好地模拟固冲发动机补燃室内的烧蚀热环境,可用于材料配方的筛选和耐烧蚀性能测试。      

航空发动机进气及叶栅通道内砂粒动力学特性分析

为提高发动机的吞砂、防砂能力,需要了解砂粒在发动机中运动规律及对发动机性能的影响。采用欧拉-拉格朗日法对E3发动机整流罩、风扇和增压级进行了砂粒与气流的耦合作用分析计算,加入颗粒碰撞模型和侵蚀模型。仿真分析结果表明:砂粒运动轨迹和侵蚀区域符合发动机使用规律。砂粒进入发动机与风扇叶片压力面发生碰撞,砂粒发生碰撞后大部分进入了外涵流道。砂粒碰撞位置主要集中在风扇叶片压力面处,风扇对颗粒运动轨迹的影响最显著,碰撞后的颗粒有明显的径向运动趋势,叶顶区域的颗粒富集程度较高。整流罩、风扇叶片压力面及外机匣壁面都发生较为严重的砂粒侵蚀现象,而增压级叶片砂粒侵蚀现象不明显。      

Impact of erosion testing aspects on current and future flight conditions

High speed of aero vehicles including commercial and military aircraft, missiles, unmanned air vehicles, as well as conceptual aircraft of the future are imposing larger restrictions on the materials of these vehicles and highlight the importance of adequate quantification of material behavior and performance during different flight conditions. Erosion due to weather conditions and other present particles such as hydrometeors; rain, hail and ice, as well as sand, volcanic ash and dust resulting from residues in the atmosphere are eminent as hazardous on the structure of a flying vehicle and may adversely influence the lifecycle of the structure. This study outlines an extensive review of research efforts on erosion in aviation and provides a basis for comparison between different apparatus simulating rain erosion and their usage within the aerospace industry. The significant aspects of erosion testing and future prospects for erosion impact are further addressed for forthcoming generations of flying vehicles.     

碳纤维/ 环氧树脂层压板的冲击损伤

介绍了碳纤维/环氧树脂层压板冲击试验方法、低速冲击损伤模式、损伤破坏检测方法,总结了近年来冲击后剩余强度、疲劳性能及有限元数值模拟方面的研究进展,并对复合材料冲击方面进一步的研究进行了展望。     

Macro-phenomenological high-strain-rate elastic fracture model for ice-impact simulations

The ice impact can cause a severe damage to an aircraft’s exposed structure, thus, requiring its prevention. The numerical simulation represents an effective method to overcome this challenge. The establishment of the ice material model is critical. However, ice is not a common structural material and exhibits an extremely complex material behavior. The material models of ice reported so far are not able to accurately simulate the ice behavior at high strain rates. This study proposes a novel high-precision macro-phenomenological elastic fracture model based on the brittle behavior of ice at high strain rates. The developed model has been compared with five reported models by using the smoothed particle hydrodynamics method so as to simulate the ice-impact process with respect to the impact speeds and ice shapes. The important metrics and phenomena (impact force history, deformation and fragmentation of the ice projectile and deflection of the target) were compared with the experimental data reported in the literature. The findings obtained from the developed model are observed to be most consistent with the experimental data, which demonstrates that the model represents the basic physics and phenomena governing the ice impact at high strain rates. The developed model includes a relatively fewer number of material parameters. Further, the used parameters have a clear physical meaning and can be directly obtained through experiments. Moreover, no adjustment of any material parameter is needed, and the consumption duration is also acceptable. These advantages indicate that the developed model is suitable for simulating the ice-impact process and can be applied for the anti-ice impact design in aviation.     

航空材料的冲击疲劳问题研究进展与展望

材料的冲击疲劳问题在航空工程中大量存在,舰载机的弹射起飞、拦阻着舰都是典型的冲击疲劳问 题。本文梳理了冲击疲劳概念的早期发展历程,综述了自2000年以来冲击疲劳领域的主要研究进展,包括材 料冲击疲劳性能的主要影响因素、材料冲击疲劳试验方法、冲击疲劳的损伤表征和寿命预计以及冲击疲劳问题 的数值计算方法等,指出材料的微观结构、边界条件、使用环境、冲击载荷类型等对冲击疲劳性能有显著影响。 总结了航空工程中冲击疲劳问题面临的主要挑战,并结合未来工程结构设计的需求,展望了航空领域冲击疲劳 技术的未来发展方向。