Kevlar织物在冲击条件下的数值仿真方法研究与应用
为确保飞行安全，多数航空发动机均采用质量较轻的芳纶织物缠绕金属包容机匣结构。为了深入地研究该结构的包容机理和失效模式，本文研究了该包容结构的典型材料Kevlar49织物在冲击条件下的本构模型、数值仿真方法及其在风扇机匣上的应用。 （1）从单胞结构出发，推导了单胞结构中的力平衡方程和描述纱线力学特性的三元件粘弹性模型。结合Kevlar49织物的几何结构和已知的纱线力学特性数据估计了材料模型的参数，采用单个单元拉伸和钢珠冲击单层织物的数值仿真验证了该材料模型的有效性和适用性，探讨了织物材料模型主要参数对数值仿真结果的影响。 （2）开展了不同层数和张力的Kevlar织物试件的弹道冲击试验。结果表明：织物吸收的能量随织物层数递增，且两者服从二次抛物线关系。在试验施加张力范围内，小张力时，织物吸收的能量略有增长，超过50N后，织物吸收的能量有下降的趋势。 （3）建立和验证了基于单胞结构材料模型的织物冲击数值仿真方法，探讨了网格密度、沙漏控制方法对计算结果的影响以及单层和多层织物吸收能量的特点。结果表明：多层织物在单层织物吸收能量方式的基础上引入了新的层-层摩擦耗能机制，提高了织物在撞击后半段吸收能量的能力。 （4）对丢失风扇叶片与Kevlar织物缠绕金属机匣的相互作用进行了数值仿真，分析了丢失叶片的轨迹、与机匣的相撞过程以及机匣的失效模式。结果表明：设计软壁机匣时不仅考虑机匣与叶片的相互撞击，还应该考虑内机匣与缠绕织物的相互作用、内机匣的刚度等因素。 本文研究的基于单胞结构的材料模型的织物冲击数值仿真方法可用于软壁机匣包容过程分析，为风扇机匣的包容性设计以及包容试验提供一定的技术支持。
航空发动机;风扇机匣;芳纶织物;金属包容结构;弹道冲击试验
南京航空航天大学
硕士
航空宇航推进理论与工程
陈伟
2014
中文
V231.91;V214.8
72
2016-03-01（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）