2.5D碳∕碳复合材料指尖密封动态性能分析

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1、航空学报ActaAerenauticaetAstronauticaSinicaNov．252013V01．34No．112616．2625ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cndoi：10．7527／S1000—6893．2013．02702．5D碳／碳复合材料指尖密封动态性能分析路菲，陈国定*，苏华，王莉娜西北工业大学机电学院，陕西西安710072摘要：指尖密封的泄漏与磨损一直是影响其工作性能和寿命的重要因素，且因两者性能改善途径的相互制约，使得指尖密封的

2、优化设计举措难以两全，迄今尚无更好的技术解决这一难题。采用诸如碳／碳复合材料制备指尖密封零件，利用碳／碳复合材料具有的自润滑功能以更多地关注密封泄漏性能的改善，可能是改善上述研究现状的可行技术途径，而作为设计理论的基础，开展碳／碳复合材料指尖密封性能分析是很有意义的工作。论文利用细观组分材料的性能来计算z．5D碳／碳复合材料刚度矩阵，由此预测材料宏观弹性性能，建立2．5D碳／碳复合材料指尖密封动态性倦分析的有跟元模型，研究材料纱线密度和纱线编织结构对指尖密封动态性能的影响规律。研究结果表明：增大指尖密封圆周方向上的纱线密度、采用浅交直联纱线编

3、织结构都可以显著提高指尖密封的密封性能，较之金属材料指尖密封，2．512)碳／碳复合材料指尖密封的动态性能表现出更好的品质。本文研究支持了碳／碳复合材料应用于指尖密封制备的可行性。关键词：碳／碳复合材料；指尖密封；刚度矩阵；动态分析；位移响应；接触压力中图分类号：V257；TB743文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)11—2616—10指尖密封是近年来受到工程界广泛重视和研究的一种新型密封结构。相较于航空发动机中广泛使用的篦齿密封以及新近应用的刷密封，指尖密封在低制造成本和高密封性能的综合性上具有优势，因而在航空发动机及其

4、附件的内流系统密封和轴承腔密封方面的应用前景十分看好n。2]。迄今大多指尖密封研究主要集中于指尖密封的迟滞泄漏与磨损问题。由于指尖密封迟滞效应产生的流体泄漏和指尖靴／转子之间接触形成的磨损在性能提升上是相互矛盾的，因此谋求迟滞性能和磨损性能综合最优的指尖密封结构设计一直是近年来的研究主线。出于这一认识，很多学者或是通过指尖密封结构构成分析[3‘5]、或是通过多目标优化设计邙-10]，以期在指尖密封迟滞性能和磨损性能上获得综合最优的设计效果。从结构构型选择和结构参数优化组合的角度设计指尖密封，可能是获得高性能长寿命指尖密封的一种途径，但毕竟受制

5、于结构构型和参数对迟滞泄漏和磨损的矛盾性而常处于两难选择的境地，因此有必要提出其他改善指尖密封性能的方法。针对迄今指尖密封都是采用金属材料制造的，考虑到碳纤维增强碳基体(碳／碳)复合材料已作为飞机和航空发动机构件得到应用，因此分析碳／碳复合材料指尖密封的性能以探讨这一材料指尖密封的应用可行性，是十分有意义的研究工作。基于编织材料层间性能和编织工艺成本的综合考虑，本文针对2．5D碳／碳复合材料指尖密封的动态性能进行了分析，即通过有限元计算获得指尖密封对于转子时变不平衡激励的位移响应以收稿日期：2013-01．18：退修B期：2013-02．25

6、；录用日期：2013．06-06；网络出版时间：2013．06-1317：01网络出版地址：WWW"．cnki．net／kcms／detail／11．1929，V．20130613．17D1，005him!基金项目：国家自然科学基金(50575182)；陕西省自然科学基金(2009JM7002)*通讯作者．Tel．：029-88493929E·mail：gdchen@nwpu．edu．cn爨用褡武lLuF．ChenGD．SuH，etalAnalys，sofdynamicperformancefor2．5Dcarbon-carboncompos

7、itefingersea

8、s．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2013．34(11)：2616-2625路菲，睬国定，苏华，笔2．5D碳／碳复合材料指尖密封动态性能分栀航空学报．2013，34(¨)：2616—262s路菲等：2．5D碳／碳复合材料指尖密封动态性能分析及指尖密封和转子接触压力的变化。并通过研究碳／碳复合材料编织工艺参数对指尖密封动态性能的影响关系，探讨编织复合材料应用于指尖密封的工程途径，以支持编织复合材料指尖密封在先进航空发动机密封装置中的应用可行性。12．5D碳／碳复合材料的应力一应

9、变关系2．5D碳／碳复合材料的宏观弹性应力一应变关系是进行指尖密封动态性能分析的基础。这一关系的建立有赖于利用细观组分材料性能计算碳／碳复合材料刚度矩阵，由此预测材