平板条叶片撞击金属靶板数值方法研究

论文摘要

航空发动机机匣需要要具有很好的包容能力,不能让转子碎片击穿机匣,造成飞机的二次损坏。航空大国在民用和军用航空发动机规范中都有专门条文对包容性做出严格规定,我国自行研制的大飞机涡扇发动机,要取得适航证,就必须通过包容性验证。为了研究航空发动机机匣的包容性问题,本文将航空发动机风扇叶片碎片和机匣包容区简化为平板条叶片和金属靶板,分别研究平板条叶片撞击金属等厚靶板过程及数值评定方法、平板条叶片撞击加筋结构金属靶板数值仿真方法及加强筋结构优化设计方法。结合打靶试验,通过建立平板条叶片撞击金属等厚靶板的计算模型,显式求解冲击过程,计算不同弹靶结构下金属靶板的弹道极限和残余速度,获得了与试验非常吻合的结果。由于弹体和塞柱之间多次撞击,靶板在冲击过程中多次回弹,靶板呈现多种破坏方式。靶板未击穿时,其变形挠度满足指数函数形式的经验公式；靶板被击穿时,残余速度和初速度关系满足Recht-Ipson公式。研究发现使用破坏势能法和K.A贝尔金公式用来计算靶板的弹道极限速度在工程上是可行的。为研究加强筋结构对包容能力的影响,建立了平板条叶片撞击加筋结构金属靶板的数值仿真模型,并且细化和修正了航空发动机机匣和叶片材料TC4的本构模型参数。仿真结果显示,加筋板的失效形式主要有局部剪切冲塞、整体弹塑性变形、背部花瓣形破坏、沿加强筋撕裂、靶板横向撕裂等。研究结果表明工程上将加强筋简化为等效厚度的计算方法是可行的,且相同质量的加筋板结构比等厚板抗冲击性能好,建议航空发动机机匣包容区域应尽量设计成带加强筋结构以增强包容能力。在平板条叶片撞击加筋结构靶板的数值仿真基础上,分析加强筋的布置对残余速度和弹道极限的影响,以期找到结构优化的途径。计算结果表明：叶片撞击区域布置加强筋数目越多,靶板抗冲击性能越好,为减轻重量,布置2～3条加强筋是合理的；而非撞击区域的加强筋影响不大,可以不设置。比较了相同质量情况下加强筋不同高度与厚度时的抗冲击性能,计算结果表明加强筋设置成细高型抗冲击性能更好,同等重量的“T”型加强筋比“|”型加强筋补强效果好。本文采用的数值仿真方法适用于不同材料、不同结构的撞击问题及包容性问题,研究成果对撞击问题和包容性问题的研究有一定的指导和借鉴意义。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图录
• 表录
• 第一章 前言
• 1.1 课题背景
• 1.2 研究内容与目标
• 1.2.1 研究内容
• 1.2.2 研究目标
• 第二章 文献综述
• 2.1 弹道冲击类型和损伤模式
• 2.2 弹道问题研究方法和假设
• 2.3 弹道经验公式研究现状
• 2.4 弹靶冲击理论研究现状
• 2.5 数值模拟研究
• 2.5.1 数值模拟研究现状
• 2.5.2 LS-DYNA简介
• 第三章 平板条叶片撞击金属靶板的动响应研究
• 3.1 打靶试验介绍
• 3.2 数值计算模型
• 3.2.1 网格模型
• 3.2.2 材料本构模型
• 3.2.3 材料物态方程
• 3.3 撞击过程与损伤模式
• 3.4 靶板未击穿时的动响应
• 3.4.1 最大挠度方程和变形方程
• 3.4.2 靶板变形分析
• 3.5 靶板击穿时的残余速度
• 3.5.1 残余速度关系的Recht-Ipson公式
• 3.5.2 Recht-Ipson公式验证
• 3.6 弹道极限计算公式的验证
• 3.6.1 弹道极限计算方法
• 3.6.2 经验公式的验证
• 3.7 本章小结
• 第四章 平板条叶片撞击金属加筋板的数值模拟
• 4.1 数值计算模型
• 4.1.1 弹体和加筋板结构
• 4.1.2 有限元模型
• 4.2 加筋板破坏模式与损伤过程
• 4.3 加筋板的等效厚度
• 4.3.1 等效厚度计算方法
• 4.3.2 加筋板和均质板抗冲击性能比较
• 4.4 加筋板结构优化设计
• 4.4.1 加强筋数目对弹道极限的影响
• 4.4.2 加强筋尺寸对弹道极限的影响
• 4.5 其他形式加强筋
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 主要研究内容与结论
• 5.2 展望
• 参考文献