航空发动机双层结构机匣包容准则研究

摘要

航空发动机机匣包容性设计及评估在航空发动机整机研发中占有重要地位。随着双层结构机匣在航空发动机领域中愈来愈广泛地应用，研究一套适用于双层机匣的包容准则将使试验研发的成本大大降低，对航空发动机机匣的预设计及防护评估具有重要意义。 本论文对机匣的包容性问题进行系统的理论分析、数值仿真、试验验证等研究，基于绝热剪切理论，提出了一种计算无间隙双层机匣弹道极限的方法，通过数值仿真进行参数修正，经参数修正后的无间隙双层金属机匣弹道极限计算模型，可以计算某总厚的双层机匣在任意内外层板厚度比下的弹道极限。本方法可作为双层机匣包容准则的判定标准之一。 本论文对双层金属机匣的包容过程进行理论建模，通过选择打靶模型将机匣的包容性问题进行简化，经理论推导建立了双层无间隙金属机匣的弹道极限计算模型，采用TC4材料进行一系列的数值仿真与试验研究，结果如下:提出了任意形状叶片效力系数k的计算方法，完善了平板条叶片k值的取值范围;通过数值仿真对双层无间隙金属靶板的弹道极限模型进行部分参数修正，得到具有稳定区间的参数取值范围。对双层无金属板的抗冲击能力进行分析，经研究发现，双层无间隙TC4板的抗冲击能力随着内层板厚度的增大先变小后增大，经参数修正的弹道极限模型计算结果与数值仿真及试验结果吻合良好，能较准确的预测双层TC4板的弹道极限速度。对双层有间隙金属靶板的抗冲击能力进行分析，经研究发现，随着间隙的变化，双层间隙板的抗侵彻破坏能力变化复杂，与间隙变化不呈现单调关系。 针对包容性整机试验，本文还对叶片飞断方法进行研究，对现有的航空发动机叶片飞断方法进行评估，结合聚能射流侵彻靶板的理论，将聚能切割器用于叶片飞断方法的研究。通过比较圆锥罩与楔形罩发现，楔形罩形成的射流速度更快，能量密度更高;并选择以楔形罩为代表的线型聚能切割器进行数值仿真探讨，改变楔形罩半锥角的大小，探究半锥角对线型聚能切割器切割能力的影响，经研究发现，线性聚能切割法在叶片飞断试验中的应用对机匣整体试验的优化设计具有重要意义。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1背景与意义

1．2研究进程

1．2．1理论研究

1．2．2数值仿真与试验研究

1．2．3研究现状小结

2包容性理论与穿甲理论基础

2．1包容失效原理

2．2包容性评定方法

2．2．1 Rolls-Royce法

2．2．2破坏势能法

2．2．3 UE-DDAM法

2．3弹靶穿透理论基础

2．3．1基本定义

2．3．2破坏类别

2．3．3影响因素

2．3．4单层板能量吸收

2．4机匣包容性问题简化

3双层结构机匣理论建模

3．1理论建模

3．2条件判定

3．3双层板能量吸收

3．4双层靶板弹道极限模型

4包容性试验和数值仿真

4．1有限元建模

4．1．1单元选取

4．1．2材料模型选取

4．1．3网格布局

4．1．4条件设置

4．2双层机匣打靶试验介绍

4．3双层机匣打靶试验结果比对

4．3．1过程与现象比对

4．3．2弹道极限值比对

4．4叶片飞断方法研究

4．4．1叶片失效原因

4．4．2整机试验常用方法

4．4．3聚能切割器

4．4．4数值模拟

5双层机匣弹道模型修正

5．1效力系数的确定

5．2双层无间隙靶板研究

5．2．1总厚度10mm双层TC4机匣

5．2．2总厚度5 mm双层TC4机匣

5．2．3总厚度8 mm双层TC4机匣

5．2．4总厚度12 mm双层TC4机匣

5．2．5总厚度15 mm双层TC4机匣

5．2．6参数分析

5．3双层有间隙靶板研究

5．4小结

6总结与展望

6．1全文总结

6．2前瞻性展望

致谢

参考文献

附录