2.5维机织风扇静子叶片/机匣连接结构静强度分析方法研究

摘要

风扇静子叶片/机匣连接结构作为航空发动机中的关键部分，其失效对航空发动机整机性能具有严重影响。2.5维机织风扇静子结构借助其材料本身优势，使其具有较高强度的同时，明显减轻了发动机整机重量，提高了推重比。2.5维机织风扇静子的结构设计需要建立在准确的静强度分析基础之上，由于2.5机织材料细观结构复杂，其静强度分析方法与传统金属材料结构有较大不同。目前国内针对2.5维机织复合材料失效机理的研究尚不成熟，对2.5维机织复杂结构件静强度分析方法的研究更为少见。本文针对2.5维机织一体成型的风扇静子连接结构，提出了四种不同的叶片/机匣连接方案，并由复合材料失效机理出发，建立了2.5维机织复杂结构件静强度分析方法，并对各连接方案结构进行了分析与强度评估。本文研究主要内容和结论如下：
　　考虑2.5维机织复合材料加工过程中成型工艺对表层经纱截面尺寸的影响，在原有面胞/内胞二元性代表性单元胞体划分方法上增加了一种新的胞体——过渡胞，并分别对三种胞体建立了细观几何模型。使用张量平均法对不同机织参数的材料进行了刚度预测，结果与实验数据吻合良好。不同类型单胞之间刚度对比的结果表明，过渡胞和内胞的刚度差异明显，表明本文单胞划分方法的必要性。
　　采用宏细观结合方法，针对经纱直段、经纱曲段、纬纱和基体等材料组分在空间复杂应力下可能发生的多种失效模式，基于改进的Hashin准则，分别建立了系统性的材料失效准则及不同失效模式下的刚度退化模型，并基于张量体积平均法预测了材料失效后的弹性性能。引入逐渐累积损伤的思想，建立了2.5维机织复杂结构件静强度系统性分析方法。模拟并分析了材料经向拉伸和纬向拉伸的应力-应变曲线，并与实验进行对比。结果表明：拟合曲线与试验曲线吻合较好。
　　结合2.5维机织复合材料的自身特点和传统金属材料风扇静子结构，提出了四种2.5维机织风扇静子叶片/机匣连接结构方案，使用本文提出的2.5维机织复杂结构件在空间应力状态下的强度分析方法对模拟连接结构进行了逐渐累积损伤分析，得到了各结构方案的失效机理和损伤发展过程。静强度分析结果表明，叶片/机匣悬挂式连接相对其他连接方案具有较好的强度和工艺优势。在此基础上，本文对静子叶片及倒角处进行了加纱强化处理，研究表明，结构局部加纱带来的经向刚度提升有效提高了静子结构的强度，是2.5维机织静子结构强度优化行之有效的方法。

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注释表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 压气机静子结构叶片与机匣的主要连接方式

1.3 编织复合材料刚度预测模型和破坏准则研究现状

1.4 国内外研究中存在的主要问题

1.5 本文的主要研究工作

第二章 基于三单胞几何模型的2.5维机织复合材料刚度预测

2.1 引言

2.2 三单胞的划分方法

2.3 三单胞细观几何模型

2.4 基于三单胞细观几何模型的刚度预测

2.5 基于本文方法的2.5维复合材料刚度预测程序设计

2.6 刚度预测结果验证与分析

2.7 本章小结

第三章 2.5维机织复杂结构件静强度分析方法研究

3.1 引言

3.2 2.5维机织复合材料结构的强度分析方法

3.3 基于逐渐损伤的2.5维机织结构强度分析程序设计

3.4 2.5维机织结构件的强度分析算例及方法验证

3.5 小结

第四章 2.5维机织风扇静子叶片/机匣连接方案及强度评估

4.1 引言

4.2 风扇静子叶片/机匣连接方案一

4.3 压气机静子叶片/机匣连接方案二

4.4 风扇静子叶片/机匣连接方案三

4.5 风扇静子叶片/机匣连接方案四

4.6 不同方案静子叶片/机匣连接结构的对比分析

4.7 叶片/机匣连接方案优化

4.8 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本文研究工作总结

5.2 今后的工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文