航空发动机复合材料叶片设计及成形技术研究

摘要

航空发动机叶片采用复合材料是其减重的重要手段之一，对实现航空发动机大推重比、高燃油效率具有重要意义。本文以航空发动机复合材料叶片应用为目标，针对复合材料叶片铺层设计、可铺性分析以及成形技术开展了相关研究。
　　（1）采用有限元方法建模分析，开展了复合材料叶片铺层设计研究。根据叶片服役环境和几何模型，建立了叶片在服役环境下的受力模型。应用复合材料细观力学对典型复合材料性能预测，结合有限元方法计算筛选出满足叶片强度刚度要求的材料体系：T800/环氧树脂复合材料体系。依据预测的材料属性及叶片模型的几何外形分区域确定叶片铺层厚度，结合叶片承载要求并参考复合材料结构设计准则设计出复合材料叶片的具体铺层：叶身部分铺层为[±45/08/±45]s、叶根及榫头部分铺层为[±45/903/04/903/04/903/04/±45]s。
　　（2）根据叶片的曲面特性和复合材料变形特点，开展了复合材料叶片曲面可铺性分析研究。提出了一种基于预浸料纤维变形约束及纤维铺放方向约束的复杂曲面复合材料构件可铺性分析方法，该方法既满足叶片模型复杂曲面的铺放工艺性要求，同时又兼顾叶片强度要求。采用CATIA Automation技术和Visual Basic6.0平台开发了相应的软件模块，利用双曲面模型及叶片曲面模型在该软件模块上仿真验证了算法的正确性。
　　（3）设计复合材料叶片成形模具，开展了复合材料叶片成形工艺探索。试验测试了模拟工艺研究用复合材料（USN12500碳纤维/环氧树脂）的拉伸性能、压缩性能、层间剪切性能以及I型层间断裂韧性。重点研究预浸料吸胶工艺，根据预浸料吸胶量及吸胶后的预浸料固化度变化规律，优化吸胶时间与吸胶温度，探究吸胶工艺对最终成形制品内部缺陷的影响。最后采用模压工艺制备了层间结合状态良好的叶片样品，实现了复合材料叶片的固化成形。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

注释表

第一章 绪论

1.1 航空发动机复合材料叶片

1.2 本课题的研究意义和内容

第二章 复合材料叶片预浸料铺层设计

2.1 叶片模型及性能要求

2.2 叶片载荷计算

2.3 叶片计算单元及安全系数选择

2.4 钛合金叶片应力及变形数值计算

2.5 复合材料叶片铺层设计

2.6 本章总结

第三章 复合材料叶片曲面预浸料可铺性研究

3.1 复合材料叶片成形方法

3.2 复杂曲面可铺性研究

3.3 算法验证与分析

3.4 本章总结

第四章 复合材料叶片预浸料铺放成形工艺

4.1 材料力学性能测试

4.2 叶片模具设计

4.3 叶片铺放规划

4.4 预浸料吸胶工艺

4.5 复合材料叶片成形

4.6 本章总结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附 录 曲面可铺性算法程序