航空发动机机匣包容性理论和试验研究

论文摘要

航空发动机机匣包容性是发动机工作的安全性和可靠性的一项重要技术指标。本文在国内首次系统地研究了航空发动机机匣包容性问题,研究了机匣包容性工程设计方法——破坏势能法和包容系数法,研究了机匣包容性试验方法——打靶试验和旋转试验器上的机匣包容性试验方法,建立了单层金属机匣包容性三维数值仿真方法。本文主要的研究工作包括:（1）针对机匣包容性试验的机匣和叶片所用的材料,进行了不同应变率下材料的冲击拉伸力学性能试验和准静态条件下的力学性能试验,分析了应变率对材料力学性能的影响。根据试验结果拟合了Johnson-Cook模型中的材料常数,并对Johnson-Cook模型中应变率相关系数C进行了修正,为模型机匣和真实机匣的包容性数值仿真提供了材料本构模型。（2）研究了空气炮打靶试验方法,完成了25次不同长度和质量的模拟叶片撞击不同厚度的模拟机匣的打靶试验,验证了破坏势能法。（3）开展了在轮盘旋转试验器上进行机匣包容性试验的试验方法研究,解决了试验中的技术难题:叶片断开时刻确定;断叶撞击机匣过程中机匣的超动态应变响应测量;断叶撞击机匣过程的连续高速摄影拍摄;叶片断开时的转速记录、超动态应变响应测量和高速摄影的同步触发。完成了10次不同质量、不同长度的单个模型叶片断开并撞击模型机匣的包容性试验,验证了包容系数法。（4）在国内首次完成了带全套压气机一级转子真实叶片的真实机匣包容性试验,评价了该机匣的包容性,并为真实机匣包容性数值仿真提供了数据支持。（5）解决了机匣包容性数值仿真方法中的关键技术——建立有限元模型、机匣和叶片材料的本构模型和失效准则。对典型的模型机匣包容性试验进行了数值仿真,通过与试验结果的对比,验证了数值仿真方法的正确性。完成了带全套压气机一级转子叶片的机匣的包容性数值仿真,仿真结果与试验结果吻合良好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文选题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究状况
• 1.2.2 国内研究状况
• 1.3 本文研究工作
• 1.3.1 总体研究方案
• 1.3.2 主要研究内容
• 1.3.3 主要贡献
• 第二章 高应变率下材料力学性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 高应变率下材料力学性能试验
• 2.2.1 试验设备
• 2.2.2 试验件设计
• 2.2.3 试验结果
• 2.3 准静态下材料力学性能试验
• 2.3.1 试验设备及测试方法
• 2.3.2 试验件设计
• 2.3.3 试验结果
• 2.4 Johnson-Cook 本构关系的拟合
• 2.5 小结
• 第三章 打靶试验及破坏势能法的试验验证
• 3.1 破坏势能法简介
• 3.2 打靶试验
• 3.2.1 试验件设计
• 3.2.2 试验设备
• 3.2.3 测试系统
• 3.2.4 试验结果与分析
• 3.3 破坏势能法的试验验证
• 3.4 小结
• 第四章 机匣包容性试验及包容系数法的试验验证
• 4.1 包容系数法简介
• 4.2 模型机匣包容性试验
• 4.2.1 试验件设计
• 4.2.2 试验设备
• 4.2.3 测试系统
• 4.2.4 试验方案
• 4.2.5 试验结果
• 4.2.6 试验结果分析
• 4.3 包容系数法的试验验证
• 4.4 小结
• 第五章 真实机匣包容性试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验件设计
• 5.3 试验方案
• 5.4 试验结果
• 5.4.1 试验件残骸测量结果
• 5.4.2 应变响应测量结果
• 5.4.3 高速摄影拍摄结果
• 5.5 试验结果分析
• 5.5.1 第1 次真实机匣包容性试验结果分析
• 5.5.2 第2 次真实机匣包容性试验结果分析
• 5.5.3 真实机匣包容性试验结果对比分析
• 5.6 小结
• 第六章 机匣包容性数值仿真研究
• 6.1 引言
• 6.2 机匣包容性数值仿真方法
• 6.2.1 基本思路与关键技术
• 6.2.2 分析模型
• 6.2.3 本构模型
• 6.2.4 失效准则
• 6.2.5 接触冲击求解中几个问题
• 6.3 模型机匣包容性试验数值仿真
• 6.3.1 分析模型
• 6.3.2 数值仿真结果
• 6.3.3 数值仿真与试验结果对比
• 6.4 真实机匣包容性试验数值仿真
• 6.4.1 真实机匣包容性试验数值仿真的特点
• 6.4.2 数值仿真结果
• 6.4.3 数值仿真与试验结果对比
• 6.5 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 结论
• 7.2 今后工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文