航空发动机风扇叶片爆破飞脱技术研究

摘要

“风扇叶片飞脱试验”(FanBladeOutTest，FBOTest)是航空发动机适航包容试验中非常重要的步骤。即当发动机在最大工作转速时，使风扇叶片由叶根截面处断裂飞脱，来考核断叶能否被风扇机匣包容而不对飞机结构造成严重损伤。
　　通常令叶片飞脱的方法有两种，预制裂纹方法和叶片爆破飞脱方法。本文对叶片爆破飞脱技术进行了较为详细的研究，首先对15mm及30mm两种厚度的TC4平板进行了静止爆破试验，并利用有限元方法对靶板在接触爆破以及线型聚能切割器爆破切割作用下的响应进行模拟。通过分析各爆破形式下的靶板响应以及能量变化，选出合适的爆破方法。
　　使用LS-DYNA软件中ALE流固耦合算法实现对爆破过程以及侵蚀靶板过程的计算模拟。结果表明:TC4材料在爆破载荷下体现出明显的应变率效应，变形很小即发生脆性断裂，当炸药量不足以将靶板炸断时也不会出现明显变形。若开槽较浅，则大部分炸药在平板表面爆炸，爆破能量难以集中，较难将靶板炸成两段;若开槽深度足够，炸药全部或大部在槽内爆炸，靶板此时呈现为拉伸或拉弯组合载荷下的脆性断裂。可以采用不对称开槽的形式，这样更易于将靶板炸断并且不易引入额外动能。
　　线型聚能切割器可以用来侵蚀切割TC4靶板，TC4靶板在射流侵蚀以及射流金属冲击作用下，呈现侵蚀破坏以及冲击形成的脆性断裂。若材料较厚，则断裂并非完全由射流侵蚀造成。
　　真实发动机风扇叶片为榫槽结构，本文对静止以及旋转状态下爆破切割榫头结构进行了数值模拟。结果表明柔性线型聚能切割器在切割曲面时射流形成平稳有效，切割断面平整。旋转状态下与静止状态下能量变化曲线对比发现线型聚能切割榫头引入的额外的动能极为有限，可以作为叶片爆破飞脱技术的首选形式。对榫头不对称开槽接触爆破进行了数值模拟，结果表明:能量传递过程更为迅速，切割过程更快，但断面不易控制，受榫头本身形状变化影响较大，不对称开槽接触爆炸型式可以作为实际操作中叶片爆破飞脱方法的一个备选方案。
　　文章最后，设计了叶片爆破飞脱的旋转试验方案。

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致谢

摘要

图录

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第1章 前言

1．1 绪论

1．1．1 课题背景

1．1．2 常见机匣种类

1．2 包容试验方法及FBO方法介绍

1．2．1 包容试验方法

1．2．2 叶片脱落方法

1．3 研究内容与方法

1．3．1 本课题研究内容

1．3．2 课题研究目标

第2章 风扇叶片爆破切割整体方案研究

2．1 线型聚能切割技术

2．1．1 线型聚能切割器介绍及应用

2．1．2 影响射流形成及侵蚀效果的因素分析

2．2 接触爆破应用

2．3 爆破问题的计算方法

2．4 本章小结

第3章 平板开槽接触爆破分析

3．1 ANSYS／LS-DYNA程序及计算参数控制

3．1．1 ANSYS／LS-DYNA程序简介

3．1．2 流固耦合算法

3．1．3 无反射边界条件

3．1．4 数值建模过程

3．2 30 mm TC4板材爆破试验及模拟结果分析

3．2．1 试验过程及结果分析

3．2．2 数值模拟结果分析

3．3 15 mm TC4板材爆破试验及模拟结果分析

3．3．1 试验过程及结果分析

3．3．2 数值模拟结果分析

3．4 不对称开糟方式的影响

3．5 本章小结

第4章 线型聚能切割器爆破切割平板叶片分析

4．1 线型聚能切割器的切割过程分析

4．2 平板线型聚能切割试验

4．3 线型聚能切割器切割TC4板材的数值模拟

4．3．1 试验用尺寸线型聚能切割器切割效果的模拟

4．3．2 更大尺寸线型聚能切割器损伤靶板的模拟

4．3．3 更小尺寸线型聚能切割嚣靶板损伤的模拟

4．4 本章小结

第5章 爆破切割榫头结构的数值模拟

5．1 线型聚能切割器切割棒头结构数值模拟

5．2 不对称开槽接触爆炸切割棒头结构数值模拟

5．3 旋转爆破切割棒头结构的数值模拟

5．4 叶片爆破飞脱旋转试验方案设计

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 课题研究总结

6．2 工作展望

硕士期间发表的文章

参考文献