航空发动机风扇叶片爆破飞断主动控制技术

为了实现在风扇机匣包容性试验中对叶片飞断转速的精确控制,开展了叶片飞断主动控制技术研究。提出了一种风扇 叶片爆破切割飞断的方法,进行了风扇叶片榫头的装药结构设计以及应用爆破技术的可行性分析;设计了遥控起爆系统,确保了 试验安全;根据静、动态双重验证的技术研究路线提出了详细的技术指标,使叶片飞出姿态满足试验器条件下包容性试验的技术 要求。结果表明：采用风扇叶片爆破切割飞断的方法顺利完成了某大涵道比发动机叶片在风扇机匣包容性试验指定转速下的爆 破飞断,叶片飞出的附加动能小于叶片飞失动能的0.05%,叶片飞断转速的控制精度在0.1%以内。验证了该项技术在试验器条件 下完成风扇机匣包容性试验的有效性,并为整机包容性试验奠定了基础。     

Aeroengine turbine blade containment tests using high-speed rotor spin testing facility

The blade containment test is regarded as an essential assessment of aeroengine safety. This paper presents the results of a series of blade containment tests where a double edge notched blade was released at certain rotating speed which subsequently impacted the inner wall of the containment ring. These tests were conducted over a range of blade lengths (113–123 mm) and releasing speeds (6800–15 000 rpm) using the high-speed rotor spin testing facility in the laboratory. It is shown that great attention should be paid to the failure of the containment rings caused by the second impact. Numerical simulations are carried out using nonlinear finite element method to study the impact process. The simulation results agree with the experimental results. Current experimental and numerical methods will be extended to actual aeroengine cases involving more complex blades and containment rings.     

Influence of pre-tension on ballistic impact performance of multi-layer Kevlar 49 woven fabrics for gas turbine engine containment systems

In this paper, ballistic impact tests on wrapped multi-layer Kevlar 49 woven fabric systems were carried out with a flat blade projectile to investigate the impact response during a fan blade out event. The influences of the number of Kevlar layers and pre-tension were discussed particularly. Test results were used to analyze failure modes and energy absorption characteristics of multi-ply Kevlar fabrics. Results show that there are two kinds of impact damage for fabrics: global deformation mainly involving stretching of yarns in the impact region and fabric wrinkle from both sides to the impact zone, and local damage characterized by yarn fracture, yarn pull-out, and yarn unraveling. The energy absorption capability of Kevlar 49 woven fabrics improves with the number of fabric layers. The energy absorbed by multi-layer fabrics increases slightly at the beginning and then decreases substantially with pre-tension. The work in this paper can provide guidance for designing light-weight multi-layer fabrics containment systems.     

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。     

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。      

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。     

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.      

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.      

航空发动机涡轮机匣轮盘包容性研究

为研究某航空发动机辅助动力装置涡轮盘在预定转速范围内破裂后涡轮机匣的包容能力,在高速旋转试验器上进行了涡轮机匣的包容性试验.试验采用轮盘周向3个对称位置预制裂纹的方式,使轮盘在预定转速范围内破裂成均匀3块,得到了轮盘碎块撞击涡轮机匣的高速摄影照片.试验结果表明轮盘碎块击穿机匣撞击包容环,包容环发生大塑性变形,包住轮盘碎块.采用LS-DYNA软件对涡轮机匣包容性进行数值仿真,仿真结果与试验结果吻合良好,研究结果对航空发动机轮盘包容性设计有一定的参考价值.      

航空发动机涡轮叶片包容试验及数值模拟

为了解断裂涡轮叶片与包容环的撞击过程,研究航空发动机的包容性能,提高飞机飞行安全。在高速旋转试验台上进行了飞断平板叶片与包容环的撞击试验,并采用基于撞击动力学理论的有限元数值计算方法模拟了撞击过程。结果表明,平板叶片撞击包容环产生两个撞击点,第二撞击点是较为危险的撞击点,撞击点处的径向凸起量随初始撞击动能的增大而线性增大,两撞击点间的距离随初撞击动能的增大而线性减小,数值模拟准确地反映了叶片与包容环的撞击过程。研究结果对航空发动机包容环结构的优化设计和包容能力的校核计算有一定的参考价值。      

Characteristics and mechanisms of turboshaft engine axial compressor casing containment

To investigate the containment characteristics and mechanisms of axial compressor blade and casing in turboshaft engine, experimental and simulation research is conducted on Titanium alloy axial compressor blades and stainless steel simulator casings in this paper. Experiments for four thicknesses (from 0.8 mm to 1.4 mm) of casings are presented on high-speed spin tester. Perforation, ricochet with and without failure of the casings are obtained in test results. Three obvious bulges or dishing region are observed, petaling failure occurs in the first bulge or the third deformation region. Parabolic and elongated dimples are observed at the fracture surface. Finite Element (FE) models with calibrated Johnson-Cook material behavior law are built and analyzed by using explicit dynamic software for a better understanding on the containment behavior. Good agreement is obtained between the experimental observations and numerical predictions. The evolution of the impact force, energy absorption, temperature increase and the cracks’ propagation are analyzed. Three force peaks occur in the impact process. Energy analysis reveals that penetration condition of ricochet with failure leads to most internal energy of the casing.     

复合材料风扇叶片-机匣碰摩振动的数值模拟

基于全三维模型的复合材料风扇叶片-机匣碰摩动力学特性的数值研究。建立了复合材料三维风扇叶片-机匣实体有限元模型,考虑叶片离心刚度的影响,机匣由贝塞尔曲面拟合,风扇叶片采用3种不同铺层形式。基于该模型,在机匣二节径变形的情况下,计算了不同铺层叶片在不同转速下与机匣碰摩后的动力学响应。计算结果表明:铺层形式对叶片中、低转速下的碰摩振动形式影响较大,带有90°铺层的叶片的最高振幅及不稳定振动所在区域的转速相对较低,改变铺层形式可以对复合材料风扇叶片-机匣的碰摩动力学特性加以控制。当转速靠近由3倍频与叶片1阶模态造成的共振点附近,或由6倍频与叶片2阶模态造成的共振转速附近时,叶片与机匣的碰摩会导致非稳定振动的产生。该方法与结果对复合材料风扇叶片的碰摩动力学特性研究具有一定指导意义。      

环形编织层板冲击包容数值模拟

为分析航空发动机复合材料机匣对破断叶片的包容,采用有限元仿真方法开展了计算研究。通过旋转体与机匣冲击破坏过程的计算,确定机匣的包容能力。基于具备显式求解功能的商用有限元软件Abaqus/Explicit,采用3维实体单元网格,将2维3轴编织的碳纤维层合材料简化成连续的正交各向异性材料,通过软件提供的Vumat用户子程序接口编写Fortran代码定义材料模型,计算与转轴分离后的模拟断裂叶片对机匣的冲击过程。通过冲击后的临界转速和能量吸收数据,比较了模拟计算与实物旋转冲击模拟试验的结果,二者具有较大的可比性。虽然计算中还缺乏材料基本性能表征的理想数据,但在多种工况下仿真计算表明模拟结果稳定,有望成为复合材料包容分析实用有效的方法。     

叶片丢失后发动机整机响应模拟试验与仿真

依据大涵道比涡扇发动机结构设计了叶片丢失试验台,开展了一系列模拟叶片丢失试验,并采用显式有限元方法进行了数值仿真,研究了发动机叶片丢失后整机结构响应与载荷传递规律。结果表明:丢失叶片与机匣存在叶尖与叶身两次撞击,对应的加速度曲线存在两个响应峰值;转子转速越高,加速度响应幅值越大。叶片飞断后转子不平衡载荷传递路径为前轴承支承-中轴承支承-中介支板-机匣结构;叶片撞击机匣导致的冲击载荷则由风扇机匣向后传递,最终传给吊装结构;发动机承受的载荷是由不平衡和冲击影响耦合得到,其中冲击载荷为主要部分。该研究为掌握真实发动机叶片丢失下整机响应规律提供了试验模拟方法与数值仿真分析工具。      

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。     

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。     

模型机匣/叶片的包容性数值分析

应用有限元分析方法研究了模型叶片飞断后撞击模型机匣的响应,模拟了不同厚度机匣结构和不同材料的模型叶片以及叶片不同飞断转速下机匣的包容能力,对不同应变率下机匣的响应进行了计算和对比分析,并评价了主要参数对机匣响应的影响。计算结果与试验结果对比表明两者具有较好的一致性。      

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。     

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.     

基于响应面法的鸟撞风扇叶片损伤预测

有限元模拟鸟撞风扇叶片损伤成本高,为解决工程问题,采用经典叶栅鸟撞切割模型建立了鸟撞风扇叶片动载荷数学模型,结合鸟撞部件试验结果,以拟合技术明确风扇叶片损伤程度与最大关键动载荷计算值间的函数关系,形成叶片损伤预测响应面,实现对鸟撞风扇叶片损伤的快速预测,并建立基于响应面法的鸟撞风扇叶片损伤预测工作流程。结合涡扇发动机吞鸟试验技术要求、风扇结构设计特征及已开展的鸟撞部件试验结果,建立叶片损伤预测响应面,初步识别2种鸟撞方案的径向弯曲、弦向弯曲,并计算撕裂范围分别不超过0.3867和0.3941,撕裂与弦向弯曲相关性显著,呈抛物线变化趋势。结果表明：预测的损伤在可接受的安全性水平范围内,预测方法能够识别损伤范围及趋势,可为后续鸟撞有限元模拟、试验策划、安全性分析、风扇叶片抗鸟撞设计等工作提供量化的技术支持。