环形编织层板冲击包容数值模拟

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1、第40卷第3期2014年6月航空发动机AeroengineV01．40No．3Jun．2014环形编织层板冲击包容数值模拟朱亦钢，邢军，王晋(中航工业复合材料有限责任公司，北京101300)摘要：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Abaqu蛾xplicit，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

2、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。关键词：复合材料；冲击吸能；包容；仿真模拟；有限元；机匣；航空发动机；叶片中图分类号：V231．91文献标识码：Adoi：10．13477／j．cnki．aeroengine．2014．03．005impactingContainmentNumericalSimulationofBraidedLaminateRing

3、ZHUYi—gang，XINGJun，WANGJin(AVICCompositeCorporationLtd．，Beijing101300，China)Abstract：ThebreakbladecontainmentofaeroenginecompositecasingwasanalyzedbyFEM(FiniteElementMethod)simulation．Thecasingcontainmentcapabilitywasdeterminedbysimulatingtheimpactingbreakprocessbetweenrotatingbodyandc

4、asing．BasedonthecommercialFEMsoftware(Abaqus／Explicit)withexplicitcalculationfunction，2Dtriaxialbraidedcarbon／epoxylaminatewassimplifiedtohecontinuousorthotropicmaterialsby3Dobjectunit鲥d．TheimpactingprocessofsimulationbreakbladeonthecasingseparatingwiththebearingwassimulatedbytheVumatw

5、ithFortrancodematerialmodel．Thesimulationandexperimentalresultofobjectrotatingimpactingwerecomparedbytheimpactedcriticalspeedandenergyabsorptiondata．thesimulatedresultsareaccordedwiththetestdata．Althoughitislackofidealdataofmaterialbasicperformance，thesimulationmsuhsarestabilityonvaria

6、bleoperations，whichiscapabletobeeffectivemethodofcompositecontainmentanalysis．Keywords：composite；impactenergyabsorption；containment；simulation；FEM；easing；aeroengine；blade0引言现代涡轮发动机对转动部件的损坏提出包容要求【11，尤其是对大型商用飞机发动机，当高速旋转的叶片发生失效破坏时，需要发动机的包容机匣起到防护作用，吸收破片的动能，避免冲出的高速叶片发生更多的撞击破坏，增加飞机与乘员的安全性。为此

7、，经常在叶片旋转面对应的机匣处设计具有抗冲击作用的包容结构或包容环。随发动机推重比和经济性要求的提高，树脂基纤维增强复合材料以其较高的比强度、比刚度和可设计性，正在替代部分金属结构部件，被广泛应用在先进涡扇发动机低温部件上，其在发动机上的用量呈增加的趋势删，其中包括已经在新型发动机Gnex的冷端机匣上的应用[51，复合材料机匣同样应该满足包容的要求。机匣包容性能的确定需要系列计算与试验验证，初始设计对材料、厚度及叶片飞出的动能和机匣包容的有效厚度进行估算以确定对叶片的包容能力，计算基于半经验工程方法。叶片包容性试验是发动机适航验证的重要项目，花费巨大，发动收稿日