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航空发动机机匣包容性机理及数值仿真方法研究

作　者: 何庆
导　师: 吴荣仁; 宣海军; 洪伟荣
学　校: 浙江大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 航空发动机机匣包容性机理数值仿真方法打靶理论分析凹陷变形弹体破碎失效模式风扇级涡轮级吸能机制叶片相互作用
分类号: V232
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

航空发动机机匣包容问题非常复杂,涉及大变形、材料粘塑性和失效,以及极短时间内发动机各部件之间大量整体和局部高速高能相互作用,包含多种非线性特性。本文结合打靶试验、模拟机匣/叶片包容试验和真实风扇和涡轮机匣/叶片包容试验,采用理论分析和数值仿真相结合的方法,对以下问题进行了研究：(1)进行了平板和机匣受圆柱弹和叶片弹撞击的对比研究。通过打靶试验,使用理论方法对靶板抗击穿性能和弹体侵彻能力进行了研究,对靶板吸能模式进行了分类,并给出了相应的能量计算公式。为计算叶片弹撞击情况下靶板凹陷变形能,提出了基于任意截面形状弹体撞击靶板的凹陷能量计算方法和公式。同时,理论分析了叶片弹体头部破碎和靶板失效模式转变机制,数值仿真研究了偏航角对叶片弹撞击靶板的影响。(2)建立了航空发动机机匣/叶片包容性数值仿真方法。以高速旋转试验台上进行的一次模拟机匣/叶片包容试验为研究对象,采用ANSYS/LS-DYNA程序,评估了网格尺寸、接触刚度罚因子和摩擦系数对数值仿真结果的影响。研究结果表明,这些因素影响叶片与机匣之间的相互作用力、能量的转换和转化、机匣和叶片的变形及失效等。基于此,建立了适用于金属材料机匣/叶片包容性问题的数值仿真方法,并使用其它次包容试验对此方法进行了验证。(3)深入研究了风扇机匣/叶片包容机理。使用建立的数值仿真方法对真实风扇机匣/叶片包容性进行了数值仿真计算,随后进行了真实风扇机匣/叶片包容试验,通过比较数值仿真与试验结果,验证了数值仿真结果的合理性和数值仿真方法的适用性。采用验证后的数值仿真模型,对风扇机匣/叶片包容机理进行了详细的分析,研究了叶片之间相互作用和转速对包容过程的影响。(4)深入研究了涡轮机匣/叶片包容机理。与风扇机匣/叶片包容机理研究方法类似,通过涡轮机匣/叶片包容试验验证了数值仿真结果的正确性和数值仿真方法的合理性,使用数值仿真对涡轮机匣/叶片包容机理进行了详细的研究。结果表明,涡轮机匣/叶片包容机理与风扇机匣/叶片相比存在较大差异,叶片之间相互作用和转速对包容过程的影响也明显不同。

全文目录

致谢  5-7
摘要  7-9
Abstract  9-11
目录  11-15
图录  15-20
表录  20-22
第一章绪论  22-46
  1.1 背景及意义  22-28
  1.2 研究现状  28-44
    1.2.1 打靶研究  29-34
    1.2.2 机匣包容试验研究  34-37
    1.2.3 机匣包容性数值仿真研究  37-41
    1.2.4 冲击载荷下材料动力学行为及描述  41-44
  1.3 本文主要研究内容  44-46
第二章平板和加筋板受圆柱弹和叶片弹撞击的对比研究  46-72
  2.1 引言  46-47
  2.2 试验方案  47-49
    2.2.1 弹体和靶板  47-48
    2.2.2 试验设备及测量装置  48-49
  2.3 试验结果和分析  49-57
    2.3.1 圆柱弹撞击平板  51-52
    2.3.2 叶片形弹体撞击平板  52-54
    2.3.3 圆柱弹撞击加筋板  54-55
    2.3.4 叶片弹撞击加筋板  55-57
  2.4 理论研究  57-63
  2.5 数值仿真研究  63-71
    2.5.1 数值仿真计算模型  63
    2.5.2 材料模型及参数  63-65
    2.5.3 有限元模型  65
    2.5.4 数值仿真结果  65-71
  2.6 结论  71-72
第三章机匣/叶片包容性数值仿真方法研究  72-107
  3.1 引言  72-73
  3.2 试验设备和试验结果  73-74
  3.3 数值仿真  74-101
    3.3.1 计算模型  75-78
    3.3.2 材料模型  78
    3.3.3 机匣撞击区域网格细化  78-86
    3.3.4 叶片网格细化  86-92
    3.3.5 滑移界面接触刚度罚因子  92-96
    3.3.6 摩擦系数  96-101
  3.4 数值仿真方法的应用  101-105
  3.5 结论  105-107
第四章风扇机匣/叶片包容性研究  107-148
  4.1 引言  107-108
  4.2 有限元建模  108-120
    4.2.1 研究对象  108-109
    4.2.2 几何模型简化及拓扑划分  109-113
    4.2.3 网格划分  113-117
    4.2.4 材料模型及参数  117-118
    4.2.5 边界条件及初始条件  118
    4.2.6 接触算法及其定义  118-119
    4.2.7 求解分析  119-120
  4.3 数值仿真  120-126
  4.4 真实风扇机匣/叶片包容性试验  126-131
  4.5 数值仿真结果的验证  131-135
    4.5.1 机匣/叶片最终破坏及变形  131-133
    4.5.2 机匣撞击区域动态应变  133-134
    4.5.3 机匣受叶片撞击过程  134-135
  4.6 风扇机匣/叶片包容性机理研究  135-139
  4.7 叶片相互作用对机匣/叶片包容过程的影响  139-142
  4.8 转速对机匣/叶片包容过程的影响  142-146
  4.9 结论  146-148
第五章涡轮机匣/叶片包容性研究  148-168
  5.1 引言  148
  5.2 数值仿真  148-153
    5.2.1 研究对象  148-150
    5.2.2 有限元模型  150-151
    5.2.3 材料模型及参数  151-152
    5.2.4 数值仿真结果  152-153
  5.3 数值仿真结果的验证  153-157
  5.4 涡轮机匣/叶片包容性机理研究  157-159
  5.5 叶片之间相互作用对包容过程的影响  159-163
  5.6 转速对机匣/叶片包容过程的影响  163-166
  5.7 结论  166-168
第六章总结与展望  168-172
  6.1 全文总结  168-169
  6.2 主要研究成果  169-170
  6.3 展望  170-172
参考文献  172-189
博士期间发表主要论文  189-191
在读期间参加的主要科研课题  191-192
作者简历  192

航空发动机机匣包容性机理及数值仿真方法研究

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