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。     

航空发动机机匣包容性研究综述

从包容定义、机匣种类、设计概念和方法、试验验证、数值仿真、机匣和叶片破坏方式等方面,详细阐述航空发动机包容机匣的现状和发展趋势.简述发展大涵道比涡扇发动机对轻质高包容能力风扇机匣的需求,评述在役及在研大飞机发动机风扇机匣的设计方案,介绍国外从事纤维增强复合材料机匣包容能力研究的情况.并分别从结构改进、低成本复合材料风扇机匣制造技术、全复合材料机匣缠绕规律、耐高温复合材料机匣、叶片包容过程的多学科整机耦合响应分析、智能包容机匣等方面,简要论述我国高推质比发动机和大飞机发动机包容机匣的研制方向.      

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。     

航空发动机软壁风扇机匣包容性研究

高强度纤维缠绕增强的软壁机匣是大型航空发动机轻质风扇机匣的主要选型之一。针对大型航空发动机软壁包容机匣的总体设计思路,从结构特点、数值分析技术、试验方法、纤维性能考核等方面研究了其包容性分析设计的方法。分析了软壁风扇包容机匣的结构特点,较适用于工程、机理分析地连续介质模型和纱线模型,得出了旋转打靶试验能有效考虑关键因素,而部件包容试验则能初步验证包容能力,数值仿真与部件试验相结合能快速掌握软壁机匣的包容性设计方法。此外,软壁机匣外层纤维织物的拉伸、剪切、摩擦、应变率效应、抗老化测试等性能测试,可为选取优良的纤维织物以及发展适用的材料模型提供参考和依据。     

面向包容性的航空发动机机匣研究综述

机匣作为航空发动机的关键部件,其包容性能是保障飞行安全的必要条件。针对机匣包容性问题,首先,简要介绍涉及包容性的机匣类别和结构形式;其次,从理论研究、仿真分析及试验测试等方面概述机匣的冲击响应、损伤机理和包容性能等,简述机匣包容性试验方法及试验研究进展,按机匣材料类别对包容性数值仿真研究分类介绍;最后,总结机匣包容性研究状况并从机匣工作条件、受载情况和优化设计角度对机匣包容性研究进行展望。     

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。     

高压涡轮主动间隙控制机匣内部换热特性试验

针对高压涡轮叶尖主动间隙控制（ACC）机匣中的典型换热结构,利用试验研究了多层机匣结构中内斜向冲击射流的局部换热特征,重点分析了进口雷诺数（10000~24000）、冲击孔入射角度（30°,45°,60°）、冲击孔直径（1.0,1.5,2.0mm）等参数对带肋机匣表面局部和平均传热系数的影响规律.研究中发现加强肋的存在显著影响了机匣表面局部传热系数,同时由于冲击射流局部强化换热作用,多层机匣内表面不同位置的传热系数相差很大.试验结果表明:随着冷气进口雷诺数的增加,机匣加强肋表面局部和平均传热系数均提高.在研究参数范围内,冲击孔直径为2.0mm,孔数为23的情况下能够获得最佳的换热效果;相比30°和60°冲击孔入射角度,冲击孔入射角度为45°能获得更好的换热效果.      

骨架式压气机机匣仿真计算分析

为了实现通过改变压气机机匣材料、结构形式和加工手段,达到减轻压气机机匣质量的目标,依照骨架式结构设计思想,对某型压气机的机匣进行了骨架式结构的改进设计,即"桁架"式结构机匣,并针对这3种典型的结构机匣分别从静强度、模态和包容特性等角度进行了仿真计算和对比分析,得到了现阶段最优方案为圆形开孔机匣。结果表明:该类骨架结构可以实现在不影响机匣使用要求的前提下,将压气机机匣质量减轻10%~20%,有效提高发动机推重比。     

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。     

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。      

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.     

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.     

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.     

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。